Le turbine a gas sono infatti estremamente sensibili alle condizioni del fluido, in termini di temperatura, densità e stabilità del profilo termico. In molte applicazioni industriali (power generation, oil & gas, LNG, hydrogen-ready plants) un controllo fine della temperatura del gas è essenziale per migliorare l’efficienza, ridurre le instabilità operative e proteggere la macchine nelle condizioni transitorie. Ed è qui che entra in gioco il Gas Turbine Performance Heater.

Un Gas Turbine Performance Heater è in sostanza uno scambiatore progettato per il preriscaldamento del gas (aria, fuel gas, process gas), garantendo un ΔT controllato, elevata affidabilità e spesso in condizioni di alta pressione e servizio continuo. Tipiche applicazioni includono il fuel gas conditioning, intake air heating e sistemi di recupero di calore da circuiti olio/acqua calda/waste heat recovery.

Tempco propone gli scambiatori PCHE come particolarmente adatti a questo ruolo, in quanto consentono notevoli vantaggi chiave rispetto a soluzioni tradizionali (shell&tube):

• Elevata compattezza
• Resistenza a pressioni elevate (decine / centinaia di bar)
• Perfetta stabilità termica anche con gradienti rapidi
• Minimo accumulo di fluido → sicurezza + risposta veloce
• Geometria dei canali ottimizzabile sul punto di lavoro reale

In applicazioni ‘performance-driven’ della turbina, questo fa la differenza.

PCHE + Turbine: un matrimonio tecnico intelligente
Nel ruolo di performance heater, il PCHE permette quindi:

• Controllo molto preciso della temperatura gas in ingresso
• Basse perdite di carico (se correttamente progettato)
• Integrazione semplice in skid compatti
• Funzionamento affidabile anche in:
  ◦ ambienti offshore
  ◦ cicli start/stop frequenti
  ◦ condizioni severe (H₂ blend, gas secchi, LNG boil-off)

Quando il focus è performance + affidabilità, il PCHE è spesso la scelta più ‘ingegneristica’, non solo la più compatta.

Un doppio vantaggio lo si ottiene quindi quando l’aumento delle performance viene raggiunto implementando un sistema di recupero termico: è qui che l’applicazione si fa molto interessante, quando il PCHE viene alimentato da:

• circuiti di recupero calore
• jacket water
• olio caldo
• waste heat di processo

Il risultato che si ottiene è un aumento del rendimento complessivo dell’impianto, la riduzione dei consumi ausiliari e un miglior controllo operativo della turbina.

Tempco si pone quindi come partner tecnologico strategico per lo sviluppo e l’implementazione di questo genere di applicazioni, fornendo non solo la tecnologia ma anche supporto per la parte di ingegneria, nella definizione del duty reale, per la verifica delle perdite di carico lato turbina – tema assai critico -, provvedendo quindi all’integrazione dei PCHE in skid completi e al dialogo tecnico con EPC e OEM turbine. Il PCHE non è infatti un componente standard, ma una soluzione da cucire sull’impianto.

In conclusione, l’impiego dei PCHE come Gas Turbine Performance Heater rappresenta una naturale evoluzione molto innovativa delle applicazioni ad alte prestazioni nel settore oil & gas, che risponde in maniera molto concreta alle esigenze di compattezza, sicurezza e controllo. Rappresentando un perfetto esempio di ingegneria termica applicata, come soluzione speciale e non standard a catalogo.

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Si tratta di attività fondamentali per il futuro della mobilità sostenibile, da cui dipende lo sviluppo di tecnologie chiave per il futuro del comparto automotive. Ringraziamo quindi sentitamente Giacomo Silvagni, PhD Assistant Professor alla Alma Mater Studiorum – Università di Bologna, responsabile per questi progetti presso il Dipartimento dell’ateneo, che ci ha raccontato in dettaglio due delle attività di ricerca in corso.

La prima immagine, nello schema qui sotto, mostra la realizzazione di un banco di flussaggio per iniettori common rail diesel e GDI (Gasoline Direct Injection) benzina sperimentali, finalizzato alla caratterizzazione idraulica del sistema di iniezione e la realizzazione dei modelli orientati al controllo.

Come spiega quindi Giacomo Silvagni, i sistemi di iniezione ad alta pressione sono tipicamente utilizzati in strategie di controllo con iniettate multiple molto ravvicinate. Queste strategie generano effetti dinamici di onde di pressione e interazioni elettromagnetiche che inducono deviazioni rispetto al normale funzionamento dell’iniettore, causando squilibri di coppia erogata dal motore cilindro per cilindro con conseguenti riduzioni di efficienza e aumento di inquinanti. Grazie al banco di flussaggio, realizzato all’interno dei laboratori del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Bologna, è stato possibile realizzare campagne sperimentali ad hoc per caratterizzare sperimentalmente i sistemi di iniezioni testati, sia diesel (fino a 1.800 bar) che a benzina (fino a 700 bar), e sviluppare modelli fisici orientati al controllo finalizzati alla compensazione in tempo reale di questi fenomeni dinamici compatibili con le centraline di controllo motore di serie.

Per questa prima applicazione, la centralina di termoregolazione Tempco ha rappresentato un elemento centrale del sistema di test in quanto viene utilizzata per condizionare la temperatura del combustibile all’interno dei sistemi di iniezione. Grazie alla centralina di termoregolazione quindi è stato possibile avere un controllo puntuale sulla temperatura del fluido, fattore chiave per garantire la ripetibilità delle prove sperimentali, e contestualmente verificare così l’impatto di diverse temperature del combustibile sulla dinamica idraulica del sistema.

Le altre due immagini sotto sono invece relative allo studio per la conversione di un motore 1.3 multijet diesel al funzionamento con benzina ad accensione per compressione, finalizzato allo studio di modalità di combustioni ad alta efficienza

Lo studio di modalità di combustione innovative ad alta efficienza e basse emissioni inquinanti rientra nell’ottica di un continuo sviluppo di motori a combustione interna verso applicazioni con alta efficienza e basse emissioni inquinanti: le combustioni innovative, infatti, rappresentano ancora una delle soluzioni più promettenti anche considerando l’avvento di combustibili sintetici e sostenibili. Per verificare i benefici di queste tecnologie, all’interno dei laboratori del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Bologna è stato convertito un motore a combustione interna di piccola taglia 1.3 multijet, nato per il funzionamento ad accensione per compressione alimentato a diesel, al funzionamento GCI (Gasoline Compression Ignition). Questa attività ha permesso di verificare il beneficio di questa modalità di combustione sia in termini di efficienze che di inquinanti prodotti rispetto al tradizionale funzionamento diesel, replicando l’intero campo di funzionamento del motore mantenendo tutti i componenti interni al motore in configurazione stock di produzione, verificando così la piena applicabilità ad hardware di serie già presenti sul mercato.

La centralina di termoregolazione Tempco, come spiega ancora Silvagni, ha rappresentato un elemento centrale del sistema di test in quanto utilizzato per condizionare la temperatura dell’aria aspirata dal motore durante le fasi di avviamento. Grazie alla centralina di termoregolazione Tempco e all’utilizzo di uno scambiatore di calore aria-olio dedicato, è stato possibile aumentare la temperatura dell’aria aspirata dal motore prima dell’ingresso nella camera di combustione e promuovere così l’accensione spontanea della benzina. Il controllo puntuale realizzato dal sistema Tempco ha inoltre consentito di verificare l’impatto di diverse temperature dell’aria comburente sulla stabilità della combustione e delle prestazioni del motore in termini di coppia/potenza erogata e di inquinanti prodotti.

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Mostra fiera idrogeno è un evento verticale, che quest’anno giunge alla sua sesta edizione, organizzato da EIOM Fiere e dedicato all’ampia gamma di tecnologie e soluzioni industriali più innovative per la filiera dell’idrogeno.

A questa pagina è possibile effettuare la pre-registrazione all’evento.

Gli scambiatori PCHE di Tempco rappresentano una tecnologia innovativa che offre elevate prestazioni atte a soddisfare i requisiti critici delle applicazioni idrogeno, come pressioni elevatissime e livelli di temperatura variabili. La costruzione per diffusion bonding, o saldatura allo stato solido, del pacco piastre permette a questi scambiatori di operare con livelli di pressione fino a 900 bar e oltre, grazie alla elevata integrità strutturale che assicura affidabilità operativa ed elevata sicurezza.

La tecnica di fotoincisione delle piastre consente invece di realizzare layout personalizzati di microcircuiti di scambio termico, il che permette di costruire i PCHE anche in modalità multistream, come richiesto dai compressori multistadio impiegati nelle stazioni di rifornimento idrogeno. Garantendo altissima efficienza di scambio termico, velocità nel rifornimento e installazione in spazi ridotti grazie alla elevata compattezza di questi scambiatori.

mcT Idrogeno si svolge in concomitanza con alcuni altri eventi fra cui mcT Oil & Gas e Sicurezza, comparto nel quale gli scambiatori PCHE di Tempco trovano applicazioni altrettanto importanti e interessanti come pre-heater nelle turbine ad alte prestazioni così come sulle piattaforme di estrazione GLN per il raffreddamento del gas.

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Le unità di termoregolazione sono una sorta di caldaie dotate di riscaldamento elettrico e di una sezione di raffreddamento. Si tratta in realtà di macchine piuttosto semplici. Hanno pochissimi componenti: resistenze elettriche di riscaldamento, una pompa di circolazione dell’acqua e tipicamente uno scambiatore di calore per il raffreddamento.

Questi componenti sono molto semplici, così come lo sono queste unità nel loro complesso, e sono progettate per un compito altrettanto semplice: la regolazione e il mantenimento della temperatura a un determinato livello. MA, queste unità devono essere dotate di sistemi di sicurezza assoluti. Questo perché queste macchine, che utilizzano resistenze elettriche, che funzionino con olio, acqua o acqua pressurizzata, comportano alcuni rischi, dovuti al fatto che se le resistenze elettriche di riscaldamento rimangono accese, senza un’adeguata circolazione dell’acqua, la temperatura sale a livelli molto elevati. Di conseguenza aumenta anche la pressione, nel caso di unità ad acqua pressurizzata, e così sale la temperatura e il punto di infiammabilità, nel caso di unità a olio. Per questo motivo tutte queste unità sono dotate di dispositivi di sicurezza hardware.

Ciò significa che sicuramente sulle resistenze di riscaldamento installiamo termostati di sicurezza, termostati di sicurezza meccanici e termofusibili che devono essere sostituiti dopo il loro intervento. Questi dispositivi di sicurezza hanno lo scopo di interrompere il funzionamento dell’unità, spegnendola, spegnendo anche le resistenze di riscaldamento e la pompa di circolazione.

In caso di mancanza d’acqua, ci sono pressostati, flussimetri o interruttori di livello che possono bloccare l’unità, spegnendo le resistenze e la pompa, segnalando il loro intervento con un allarme. Tutto questo per evitare problemi. È quindi molto importante che tutti questi dispositivi di sicurezza siano attivi e correttamente funzionanti e non vengano manomessi o bypassati. Perché altrimenti possono rappresentare una potenziale fonte di rischio.

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Il passaggio cui stiamo assistendo è quello dal riscaldamento a gas a quello in elettrico, e sono giornaliere le chiamate che arrivano in Tempco con richieste di questo tipo. Ciò vale soprattutto per le aziende che hanno una auto produzione di energia elettrica, da fonti rinnovabili come il fotovoltaico ad esempio. In particolare vale quindi per grandi aziende con grandi impianti centralizzati per la produzione di vapore o di olio diatermico ad alta temperatura per il riscaldamento di determinati processi.

Queste realtà stanno di fatto ‘splittando’ questo tipo di riscaldamento su centraline più piccole riscaldate elettricamente. A differenza che in passato, infatti, dove in Italia il costo dell’energia elettrica era superiore al gas, oggi la situazione corrente rende questo tipo di scelta conveniente e preferibile specialmente se in azienda, come detto, è presente una auto produzione di energia da fonti rinnovabili.

Inoltre, questo tipo di centraline consente di implementare sistemi che impiegano relè statici o tiristori, quindi con modulazione della potenza sulla reale richiesta di riscaldamento nell’impianto di produzione, limitando così il consumo di energia solo laddove richiesto. Potendo così utilizzare piccole centraline dedicate a piccole parti di impianto, raffinando il consumo di energia riscaldando quella parte specifica di impianto solo quando è realmente necessario. Eliminando i consumi elevati legati a un sistema unico centralizzato che serve tutte le utilities.

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Le centraline sono quindi asservite da 3 chiller condensati ad aria, che lavorano a temperature fino a -15° C. Le speciali TREG sono complete di quadro di comando e controllo. Le resistenze di riscaldamento vengono comandate tramite relè statici e sono dotate di pannello remoto per consentire il controllo da parte dell’operatore sul campo.

Le centraline sono state progettate per installazione negli Stati Uniti, per cui hanno la peculiarità di essere equipaggiate con componentistica completamente conforme a normative UL. Il cliente ci ha contattati in virtù della nostra specializzazione su questa tipologia di soluzione, di cui contiamo già una trentina di macchine installate presso un altro cliente in Italia.

La nuova commessa per applicazione su reattori in processo chimico è quindi un esempio della capacità di Tempco di personalizzare in maniera flessibile le centraline di termoregolazione in base a specifiche esigenze di processo e installazione. Nella fattispecie, le tre centraline per installazione negli USA hanno pertanto la parte di piping completamente realizzata con tubi e materiali conformi alle normative ASME, con saldatura GTAW, qualifiche saldatori, WPS e qualifiche di procedimento emesse in accordo ad ASME Section IX. Il vaso di espansione e le valvole di sicurezza sono realizzati secondo ASME VIII – U STAMP.

A seguito di quest’ordine, lo stesso cliente ci ha quindi commissionato una nuova macchina, in questo caso conforme a normativa Atex e per uno speciale progetto per pharma per la produzione di un solvente comunemente impiegato come ingrediente in cosmetica.

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Si tratta di un comparto fortemente competitivo e dove asprissime sono le battaglie sui prezzi, in cui le forniture si giocano spesso sui centesimi di prezzo. Il cliente in questione ha saputo ritagliarsi una sua quota di mercato in virtù degli elevati standard di qualità della produzione, per cui si avvale inoltre di un parco macchine molto importante.

A seguito di un primo intervento con assistenza in tempo reale su scambiatori a piastre, come già detto, il rapporto con l’azienda si è quindi evoluto anche in ambito di termoregolazione. Il cliente era infatti da tempo alla ricerca di soluzioni più customizzate, e ha trovato nelle centraline di termoregolazione Tempco e nel nostro approccio SFC – standard custom flexibility, il partner che cercava.

Partendo quindi da una unità di termoregolazione standard, abbiamo apportato le opportune modifiche per rendere le centraline adeguate alle elevate richieste e alle necessità di una produzione di qualità come quella del cliente. Le centraline sviluppate implementano diverse caratteristiche speciali, quali:

• Relè statici per il pilotaggio delle resistenze
• carichi specifici bassissimi delle resistenze elettriche
• circuito pressurizzato a elevata affidabilità con vaso di espansione speciale per eliminare i ripetuti problemi di cavitazione e depressurizzazione
• interfaccia remota dedicata per gestione della centralina tramite il plc delle presse

A seguito di una serie di test preliminari, la scelta ha quindi portato a siglare un contratto di fornitura continuativa, che prevede oltre alla fornitura delle centraline anche un piano di assistenza programmata e pianificata per garantire sempre la massima affidabilità ed efficienza degli impianti.

Pressa per stampaggio plastica. La centralina di termoregolazione viene gestita tramite il PLC della pressa

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Le centraline di termoregolazione mono fluido sono quindi dei sistemi che se ben programmati consentono di seguire lo schema termico del reattore o della macchina chimica che servono. Le unità permettono quindi di monitorare, controllare e regolare le temperature del prodotto all’interno del reattore. La termoregolazione mono fluido avviene impiegando una pompa di circolazione, che assicura la circolazione del fluido tra la camicia del reattore, il semi-tubo della macchina e una batteria di scambiatori, o di riscaldatori elettrici. Il tutto controllato da un regolatore elettronico che regola la temperatura del fluido.

Sul circuito secondario è possibile avere vapore, per il riscaldamento del fluido, e acqua refrigerata o acqua di torre per il suo raffreddamento. In mancanza di vapore può essere impiegata una sezione di riscaldamento con delle resistenze elettriche, sempre comandate dal regolatore elettronico.

L’intero sistema può quindi essere controllato da remoto, tramite PLC, regolatore elettronico o altre interfacce. Il range di temperature è estremamente vario, andando da temperature sotto zero, anche fino a -30° C, fino a temperature molto elevate, fino ad arrivare a 250° C. A seconda delle temperature richieste il fluido impiegato potrà quindi essere semplice acqua, acqua glicole con anti gelo quindi, per scendere a basse temperature. Ancora, acqua pressurizzata e quindi surriscalda per arrivare fino a 140° C, e infine olio diatermico o olio siliconico per le alte temperature.

L’Olio diatermico viene solitamente usato per impianti che vanno solo in alta temperatura, mentre l’olio siliconico, o sintetico, si utilizza in impianti dove sono richiesti range di regolazione della temperatura molto vari, da sotto zero a temperature molto elevate. Questi oli hanno infatti la caratteristica di mantenere un buon scorrimento a basse temperature, e di offrire buone caratteristiche termodinamiche e fisiche anche alle temperature più elevate.

Infine, le centraline di termoregolazione mono fluido possono essere realizzate secondo diverse normative, a seconda del tipo di applicazione e del Paese di destinazione. Trattando di industria chimica e farmaceutica, molto spesso si ha infatti a che fare con ambienti Atex a rischio esplosivo. Se le centraline sono destinate al mercato degli Stati Uniti saranno conformi a norme UL, se invece si parla della Russia avranno certificazione EAC.

Molto spesso le centraline devono peraltro essere abbinate a gruppi frigoriferi dedicati, non integrati nella centralina al fine di garantire massima flessibilità e continuità della produzione, nel caso ad esempio di fault del sistema di raffreddamento. Questo tipo di sistemi di termoregolazione deve infatti garantire massima flessibilità, massima affidabilità e precisone estrema nel controllo della temperatura.

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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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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.

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