Idrogeno e celle a combustibile rappresentano una enorme opportunità di sviluppo per la mobilità del futuro, alternativa alle auto elettriche. Per un progetto relativo a un automezzo a idrogeno, stiamo fornendo in più tempi una serie di scambiatori saldati, con costruzione completamente in inox.
Gli scambiatori vengono impiegati nel veicolo per trasferire calore dal circuito di raffreddamento dedicato alle celle a combustibile al circuito principale di raffreddamento del mezzo, consentendo così di mantenere separati i due circuiti.
Si tratta in pratica della stessa versione dei normali scambiatori a piastre saldobrasati, dove invece di utilizzare il rame la realizzazione è completamente in acciaio inox.
Il progetto è iniziato circa un anno fa con una serie di dimensionamenti e affinamenti tecnici, che hanno portato a definire i modelli di scambiatori da fornire. Come si usa in genere per tutti gli scambiatori di calore saldobrasati, e a maggior ragione su questi, sono stati condotti test distruttivi e test in pressione per garantire la massima affidabilità dei dispositivi di scambio termico.
Il tema già discusso delle applicazioni di ossidazione anodica ha dato il via a una serie di dubbi e domande, riguardanti soprattutto il tema della scelta dei materiali resistenti alla corrosione negli scambiatori di calore. Negli impianti di ossidazione anodica dell’alluminio infatti gli scambiatori lavorano con soluzioni di acido solforico in genere in concentrazione al 20%, e temperature di circa 20-25° C. Stando ai diagrammi di ISO-corrosione, queste condizioni consentirebbero di impiegare AISI 316. Il rischio è però che le temperature non siano sempre quelle, alzandosi a livelli superiori ad esempio durante lo spegnimento degli impianti nella stagione estiva.
Sarà allora opportuno selezionare un altro tipo di materiale, che è l’Avesta 254 SMO, materiale alto legata con ottima resistenza ai cloruri e a concentrazioni e temperature elevate. In caso non fosse sufficiente è possibile passare al Titanio, comunemente usato in applicazioni con acqua di mare offrendo elevata resistenza ai cloruri in concentrazioni molto elevate e ad alte temperature.
Parlando di costi, fatto 100 l’AISI 316, Avesta 254 SMO e Titanio valgono circa 200, a seconda poi delle variazioni di mercato.
Il discorso si complica a concentrazioni crescenti di acido cloridrico, per cui Titanio e Avesta non bastano più. Bisogna allora fare ricorso ad Hastelloy C276, altro materiale alto legata dai costi piuttosto importanti e di reperibilità relativamente bassa sul mercato. Si tratta però di un materiale stampabile a freddo, per cui ottima soluzione per le piastre degli scambiatori di calore.
Le scelte sono quindi abbastanza simili per scambiatori di calore a fascio tubiero, per cui è possibile trovare tubi in 254 SMO, tubi in titanio anche seppure con qualche difficoltà in più, e così per l’Hastelloy C276. Intervengono però qui anche altre soluzioni, per cui è possibile utilizzare scambiatori realizzati in altre tipologie di materiali, quali Incoloy e Monel. Andando però su materiali sofisticati con costi elevati sia come materia prima che nella lavorazione.
Quando il coefficiente di corrosione diventa ancora più elevato si opta quindi per scambiatori in grafite: scambiatori particolari, per qualche tratto simili a scambiatori a piastre o a fascio tubiero, e costruiti usando mescole di grafite.
Si passa poi agli scambiatori di calore in plastica, tipo di scambiatori a chioma fatti di tubicini in plastica che vengono immersi nella vasca da termostatare. I materiali in genere usati sono polipropilene, PVC e altri, a seconda poi del tipo di applicazione, della lavorabilità e delle temperature coinvolte. Quando si tratta infatti di dover scaldare, con la plastica occorre fare molta attenzione.
Infine, uscendo dall’ambito dell’ossidazione anodica ed entrando nel farmaceutico, pensando alla resistenza dei materiali con fluidi corrosivi, esistono anche scambiatori e reattori in vetro. Tenendo però ben presente che siamo qui in un ambiente che implica condizioni totalmente differenti rispetto a quelle più ‘pesanti’ di un impianto di ossidazione anodica.
Qualche anno fa abbiamo effettuato un’analisi delle criticità evidenziate negli impianti con torri evaporative, installate in un paio di stabilimenti. Avvalendoci della collaborazione di uno studio di progettazione, è risultato evidente che il rapido ed eccessivo sporcamento dei pacchi di scambio delle torri comportava un calo di prestazioni a livello di raffreddamento, unito a un incrementale andamento degli assorbimenti elettrici.
L’ufficio tecnico si è quindi convinto a testare una torre con pacco di riempimento anti intasamento splash, con risultati lusinghieri, tanto da farla diventare la scelta di default sia per gli impianti di primo equipaggiamento che per il revamping delle torri esistenti.
Con un piano di manutenzione e integrazione annuale, il cliente sta quindi sostituendo tutti i sistemi di riempimento delle torri, che pur richiedendo macchine di maggiori dimensioni, e un investimento iniziale più elevato, si ripagano nell’arco di due stagioni con un importante abbattimento dei costi di manutenzione ed energetici.
Nel settore farmaceutico prendono sempre più piede i sistemi di termoregolazione mono fluido, per la regolazione precisa delle temperature nei reattori. Questo per consentire che al loro interno avvengano le necessarie reazioni per la produzione ad esempio di principi attivi, seguendo scrupolosamente le ricette di produzione che prevedono un determinato programma termico.
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.
Una nostra collaborazione che dura ormai da circa dieci anni è per la fornitura di sistemi di raffreddamento dei bruciatori che vengono impiegati in impianti di riciclo e smaltimento delle batterie, con conseguente recupero dei materiali.
Questi sistemi hanno una composizione piuttosto tipica, che comprende:
dry cooler autodrenante che funziona solo con acqua
gruppo di pompaggio dotato di 2 pompe ridondate
quadro di comando e regolazione
Caratteristica peculiare della soluzione è la ridondanza dei componenti, in quanto in questo tipo di applicazione, che comporta condizioni estreme in funzionamento 24/7 per 365 giorni l’anno, è assolutamente indispensabile garantire la sicurezza del ciclo di raffreddamento.
Dato infine il tipo di ambiente molto aggressivo, con la presenza di acidi delle batterie, altra caratteristica di questa tipologia di impianto è quindi l’impiego di materiali in acciaio inox per la costruzione delle apparecchiature.
In ambito di risparmio energetico, un trend in atto è quello di implementare sistemi di free cooling combinati a gruppi frigoriferi, o chiller, impiegati nel raffreddamento di processi industriali.
Quando il raffreddamento in un certo processo produttivo richiede ad esempio acqua alla temperatura di 15° C, è infatti necessario ricorrere a chiller che consentono di ottenere acqua a quelle temperature per tutto l’anno. Durante l’inverno è però possibile sfruttare sistemi a scambio diretto grazie alle basse temperature ambientali. Si tratta di sistemi dry cooling o free cooling, che consistono in batterie di scambio o grandi radiatori ventilati che permettono di raffreddare l’acqua.
La convenienza del sistema dipende da due fattori, in primo luogo la latitudine del sito di installazione dell’impianto. In secondo, il livello di temperature dell’acqua di raffreddamento richiesto dal processo industriale implicato.
Ipotizzando di avere un processo che necessita acqua di raffreddamento a 15° C, durante l’estate sarà indispensabile avere un chiller. In inverno, invece, o comunque quando la temperatura esterna scende al di sotto dei 10° C, è possibile avere acqua a 15° C utilizzando un normale dry cooler. Ottenendo un notevole risparmio energetico: infatti si avrà comunque l’energia consumata per il pompaggio dell’acqua e per il circuito di ventilazione, ma si potranno spegnere completamente i compressori del gruppo frigorifero. Che per un impianto ad esempio da 100 kW possono comportare un consumo energetico di circa 30 kW l’ora. Il risparmio energetico ottenibile spegnendo i compressori sarà quindi tanto maggiore quanto più importanti sono le potenze termiche richieste.
Occorre pertanto valutare sia le temperature richieste dal processo sia le temperature medie stagionali nel sito di installazione, onde valutare accuratamente e caso per caso il ritorno dell’investimento dell’implementazione di un sistema di free cooling.
Potete vedere qui una nuova Infografica Tempco, dedicata all’Innovazione di processo con la diffusione di soluzioni IoT e di Intelligenza Artificiale tra le imprese manifatturiere. L’impementazione di queste tecnologie contribuisce alla transizione dell’industria di processo verso modelli data-driven, ovvero guidati dai dati. Macchine e componenti connessi ‘parlano’ infatti a operatori e gestori degli impianti, consentendo un monitoraggio in tempo reale dei livelli di avanzamento della produzione e al contempo dello stato di salute degli strumenti produttivi.
Il condition monitoring in tempo reale del processo e dei sistemi per produrre permette non solo di massimizzare la produttività e ridurre scarti ed errori, incrementando la qualità grazie a modelli matematici adattati alla tipologia di processo sviluppati con algoritmi di AI. L’intelligenza dei dati consente anche di allungare la vita utile di macchine e strumenti, abilitando funzioni di manutenzione predittiva per aumentare l’affidabilità e la disponibilità degli impianti, evitando costosi fermi di produzione imprevisti.
IoT e AI insieme provvedono infine a dare trasparenza sugli effettivi consumi energetici nei processi di produzione, permettendo un costante miglioramento in real time dell’efficienza energetica e la riduzione dei costi nell’industria di processo. In quest’ottica, anche la piattaforma iTempco sfrutta IoT, cloud e analytics per massimizzare il rendimento termico, l’efficienza e il risparmio energetico nelle applicazioni di controllo della temperatura e di gestione dell’energia termica nell’industria di processo di qualunque settore.
Per un gruppo chimicofarmaceutico italiano, abbiamo realizzato due centraline di termoregolazione impiegate sui reattori nella produzione di API. I due sistemi sono abbinati a chiller per la produzione della soluzione incongelabile a -10°C, a servizio della sezione di raffreddamento di entrambe le centraline.
Le centraline sono completamente carenate e sono state sviluppate per implementare la regolazione monofluido della temperatura nei reattori.
La termoregolazione monofluido è infatti un sistema molto impiegato nella produzione chimica e farmaceutica. Qui un unico fluido di lavoro circola all’interno di una batteria di scambiatori di calore e provvede alle diverse regolazioni delle temperature necessarie nelle diverse fasi di produzione. La soluzione consente di non avere tempi morti per lo svuotamento e il caricamento di fluidi diversi, ottenendo inoltre livelli estremamente fini di controllo della temperatura.
Le due centraline sono state infatti equipaggiate con soluzioni tecniche all’avanguardia, per ottenere la massima precisione nelle regolazione delle temperature di processo con tolleranza di +/- 1°C.
Molto spesso ci viene richiesto se nelle operazioni di manutenzione e rigenerazione degli scambiatori di calore a piastre sia sempre necessario sostituire tutte le guarnizioni. La risposta è… ni.
Nel senso che a volte la sostituzione è assolutamente necessaria, altre volte no, e ciò dipende strettamente dal tipo di applicazione coinvolta.
Occorre innanzitutto distinguere due casi, per primo quello in cui lo scambiatore di calore è di tipo per caldo e lavora con vapore. In questo caso, lo scambiatore sarà quasi sicuramente dotato di guarnizioni in EPDM, etilene propilene. Questo tipo di guarnizione risulterà stressata in modo importante dal vapore ad alta temperatura. Aprendo lo scambiatore ci si rende conto che le guarnizioni sono state stressate, perché l’EPDM ha un ritorno elastico inferiore al nitrile o al vition. Pertanto dopo 2 o 3 anni di esercizio perde il recupero elastico di una guarnizione nuova. Se quindi non le sostituisco, dopo aver lavato le piastre e aver rimontato lo scambiatore, questo avrà quasi sicuramente delle perdite. Pertanto occorre cambiare tutte le guarnizioni.
Se invece parliamo di uno scambiatore che lavora con acqua fredda, proveniente magari da una torre di raffreddamento a 30° C o da un gruppo frigorifero, dopo 3 o 4 anni di lavoro avrà le piastre sporche da lavare, ma è verosimile che smontandolo le guarnizioni appaiano come nuove. E’ quindi molto probabile che si possano recuperare e riutilizzare, specialmente se si tratta di guarnizioni a clip, senza uso di colla.
Certo anche qui occorre applicare il buon senso. Se l’intervento riguarda per esempio uno scambiatore molto grande, con un pacco piastre da 200, della larghezza di 0,4 mq ciascuna e bocchelli da 100-150… è chiaro che l’operazione di rigenerazione che faccio magari dopo 4 anni di esercizio avrà un costo importante. Sicuramente il costo del cambio delle guarnizioni avrà un parziale impatto, ma è di sicuro un buon investimento se poi, non cambiandole e chiudendo lo scambiatore a rigenerazione compiuta, questo comincia a perdere.
Il suggerimento è quindi di lasciare dare un occhio agli esperti, ovvero quando in Tempco apriamo uno scambiatore per la rigenerazione, nella proposta includiamo il costo delle guarnizioni, magari splittato. Chiamando quindi il cliente una volta aperto lo scambiatore per dire se conviene procedere con la sostituzione oppure se possiamo garantirgli un altro ciclo di lavoro mantenendo quelle vecchie.
Lo scorso mese abbiamo collaudato uno speciale gruppo frigorifero sviluppato per asservire delle linee di produzione di tubo per impianti di dialisi di un gruppo farmaceutico.
I tubi per impianti di dialisi richiedono un processo di produzione molto delicato, dal momento che vengono impiegati per il trasporto di sangue. I tubi sono nello specifico usati con pompa peristaltica, al cui interno vengono schiacciati per pompare il sangue.
Le caratteristiche meccaniche ed elastiche dei tubi sono pertanto molto importanti, dovendo essere morbidi e flessibili ma al contempo anche molto resistenti.
Quello che abbiamo fornito era il prototipo di una prima apparecchiatura che produce un flusso di aria refrigerata a temperatura controllata fino a -15° C, con livelli di precisione di +/-0,5° C. L’aria refrigerata viene utilizzata con un processo coperto da brevetto che consente di ottenere una efficace modifica del tubo per dialisi.
L’azienda impiegava in precedenza sistemi di raffreddamento a venturi che non permettevano però di ottenere l’effetto necessario. In fase di collaudo del nuovo gruppo frigorifero il cliente è risultato molto soddisfatto, tanto da pianificare l’implementazione di queste apparecchiature nelle linee di produzione presenti nei suoi stabilimenti a livello globale.
TEMPCO studia e realizza sistemi e soluzioni per il raffreddamento, riscaldamento, termoregolazione e scambio termico, nei differenti processi produttivi industriali.
