Abbiamo già avuto modo di parlare di pompe centrifughe, e dato l’interesse suscitato vorrei approfondire un po’ l’argomento. Le pompe sono macchine operatrici che servono a spostare fluidi, che siano acqua, olio o altro, con una certa portata e una certa prevalenza, ossia pressione, per poterli portare a una certa altezza.
Partiamo dicendo innanzitutto che esistono diverse tipologie di pompe, che possiamo suddividere in due grandi famiglie, le pompe centrifughe, di tipo dinamico, e le pompe volumetriche.
Come si può intuire dal nome, le pompe volumetriche sono impiegate per spostare grandi quantità, grandi volumi di fluidi. Le pompe centrifughe lavorano invece con un concetto diverso, sfruttando la forza centrifuga per spostare un fluido.
A loro volta le pompe centrifughe si suddividono in pompe centrifughe classiche e pompe centrifughe periferiche. Entrambe sfruttano la forza centrifuga per movimentare fluidi, ma le pompe centrifughe periferiche impiegano delle giranti di tipo aperto che consentono di ottenere delle prevalenze piuttosto elevate impiegando motori dalla potenza ridotta.
Sono pertanto pompe che troviamo su applicazioni che non richiedono grandissime portate. Laddove le portate richieste aumentano si impone pertanto il ricorso a pompe centrifughe classiche. Per portate piccole invece una pompa periferica può essere un’ottima soluzione per ottenere dei valori di pressione elevati, svolgendo il tipo di applicazione con motori di piccola potenza e quindi in maniera abbastanza economica.
Presentiamo oggi un nuovo prodotto che amplia la famiglia di soluzioni Tempco, uno scambiatore di calore saldobrasato 3-in-1 che unisce le funzioni di un evaporatore, di un separatore e di un pre-raffreddatore/riscaldatore. Lo scambiatore saldobrasato T PLATE B – TCB3000A è la soluzione ideale per essiccatori d’aria su larghi volumi, compressori e refrigeratori, progettato per applicazioni con portate di aria fino a 50 m3/min e pressioni di lavoro fino a 10 bar.
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.
In queste foto mostriamo degli scambiatori speciali a serpentino per pompe di calore geotermiche per acqua salmastra, che abbiamo consegnato a un cliente alcuni mesi or sono. Questi particolari scambiatori sono per immersione in pozzi geotermici presenti in un parco naturale con acqua termale nella zona di Napoli.
Le pompe di calore geotermiche sono una tipologia di pompa di calore che invece dell’aria sfrutta come sorgente termica rinnovabile il terreno o l’acqua, con coefficienti di performance e livelli di risparmio energetico interessanti.
In quello che viene chiamato anche geoscambio termico, si sfrutta la caratteristica del terreno appena al di sotto della superficie di mantenere temperature stabili durante tutto l’arco dell’anno, senza risentire delle variazioni giornaliere o stagionali della temperatura esterna. Una pompa di calore geotermica raccoglie pertanto il calore dal terreno o dalle acque di falda, o da acque termali come nel nostro caso, per provvedere al riscaldamento di edifici durante l’inverno riducendo il consumo di combustibili fossili e i costi in bolletta, dissipando invece il calore verso il terreno in estate per il raffreddamento e condizionamento degli ambienti.
I particolari scambiatori che abbiamo realizzato impiegano l’acqua della pompa di calore come fluido di scambio con l’acqua salmastra del pozzo. La tipologia a serpentino è stata scelta per ragioni di spazio, in quanto il pozzo era molto ristretto, con un diametro di appena 220 mm, che rendeva impossibile l’impiego di scambiatori a piastre TCOIL a immersione. Il materiale di costruzione scelto per l’applicazione è rame stagnato, per garantire la resistenza alla corrosione da cloruri.
Quali sono gli accorgimenti tecnici da impiegare sugli scambiatori a piastre quando questi vengono utilizzati con il vapore? Nel caso di scambiatori a piastre ispezionabili non ci sono grossi problemi, in quanto è sempre possibile fare manutenzione e ripararli. Nel caso si presentino pressioni pulsanti, colpi di vapore o condensa che danneggia le guarnizioni, è infatti sempre possibile aprire lo scambiatore, sostituire le guarnizioni, richiudere, fare un test in pressione e lo scambiatore è pronto per tornare in funzione. Diversa è la questione se si ha uno scambiatore di calore saldobrasato alimentato a vapore, che non può essere riparato una volta che si è rotto.
La principale difficoltà nell’utilizzo di scambiatori a piastre con il vapore è quando non si ha un adeguato scarico di condensa, e questa ristagna all’interno dello scambiatore. Avviene quindi che all’ingresso di nuovo vapore in presenza di condensa stagnante, questa evapora rapidamente e si possono avvertire dei rumori, degli schiocchi secchi all’interno dello scambiatore. Questi sono dovuti all’istantanea evaporazione della condensa che provoca colpi di pressione molto elevati, che a lungo andare possono danneggiare lo scambiatore in modo irrimediabile.
E’ allora necessario installare uno scaricatore di condensa efficiente, e assicurarsi che la linea di scarico condensa non abbia contropressioni affinché questa possa essere drenata completamente. Sarà inoltre opportuno mettere una valvola rompivuoto a valle della valvola regolatrice del vapore che di fatto funziona come una valvola di ritegno al contrario: quando il flusso di vapore finisce, la valvola rompi vuoto si apre e fa entrare dell’aria, provvedendo al drenaggio completo dello scambiatore facendo fuoriuscire l’aria e la condensa attraverso lo scaricatore di condensa.
Torniamo a parlare di scambiatori di calore a piastre, in particolare del diametro dei passaggi idraulici all’interno degli scambiatori. Si tratta infatti di un’informazione che ci viene spesso richiesta, soprattutto quando si parla di scambi termici con fluidi che possono essere sporchi o con particelle in sospensione.
Per ottenere un incremento della turbolenza dei fluidi, anche lavorando con portate basse, la tendenza attuale è di ridurre il diametro dei canali di passaggio del fluido, onde ottenere un reticolo più fitto con molteplici incroci e angolazioni. Il motivo di ciò sta nell’aumentare il coefficiente di scambio, per ridurre la superficie di scambio termico necessaria per un certo carico termico e quindi produrre scambiatori più piccoli ed efficienti, a costi più contenuti e più competitivi.
Vi sono ovviamente dei limiti, in quanto se si lavora con acque reflue sporche, un canale troppo piccolo rischia di intasarsi molto rapidamente. Cosa che ci capita molto spesso, lavorando in ambito industriale dove si ha a che fare molto di frequente con acque non molto pulite, magari in circuito aperto, o comunque in circuiti chiusi ma inquinati dai processi asserviti.
Gli scambiatori saldobrasati hanno per esempio un diametro dei passaggi di circa 2 mm, che è molto piccolo. I saldobrasati sono però concepiti come scambiatori privi di manutenzione, ad eccezione di lavaggi chimici che possono essere eseguiti solo se lo scambiatore non è completamente ostruito.
Gli scambiatori di tipo ispezionabile hanno invece una varietà di sezioni dei canali di passaggio, anche in funzione del design termico dato in fase di progettazione. Per esempio, nella gamma dei nostri scambiatori a piastre la sezione media parte da 2,5 mm e va fino ai 4 mm, per applicazioni con fluidi molto sporchi o che richiedono perdite di carico molto contenute. E’ anche vero però che le perdite di carico possono essere pilotate tramite la scelta dell’angolo di Chevron delle piastre, e che avere un canale di passaggio più ampio allarga il range applicativo degli scambiatori.
Vi è poi una tipologia speciale di scambiatori a piastre, i cosiddetti scambiatori free-flow, che non presentano punti di contatto e hanno canali molto larghi. Questi scambiatori vengono applicati in particolari contesti produttivi, come quello dell’industria della carta o nella produzione alimentare di succhi di frutta con particelle di polpa in sospensione, che intaserebbero un normale scambiatore in pochissimo tempo.
Gli scambiatori free-flow hanno canali di passaggio molto larghi, che possono essere di 6 mm o anche 12 mm. Questi scambiatori non esistono in tutti i formati possibili con questo tipo di piastra e di corrugazione, e non avendo punti di contatto offrono una resistenza più bassa alle pressioni differenziali rispetto ai normali scambiatori. Le piastre devono inoltre essere realizzate con spessori maggiori, il che ne aumenta il costo.
Come si seleziona quindi il tipo di passaggio in uno scambiatore? La scelta avviene naturalmente a seconda del tipo di applicazione, in base a cui verranno scelti il tipo di piastra, la sezione del canale di passaggio e la profondità di stampaggio.
Le immagini che vedete sono di scambiatori saldobrasati particolari che abbiamo realizzato per una applicazione chimica nel processo di distillazione. Gli scambiatori vengono impiegati per la regolazione delle temperature nelle diverse fasi del processo, tra cui:
recupero testa/coda sulle colonne di distillazione
condensazione in testa colonna di distillazione
raffreddamento di fondo del distillato
reboiler (ribollitore) di fondo colonna
pre-riscaldatore di alimentazione colonna
Si tratta di applicazioni tipiche negli impianti chimici di distillazione/concentrazione. In questo caso è stata scelta questa soluzione per ragioni di compattezza dimensionale e di efficienza in termini di scambio energetico, spingendo le varie fasi di processo in modo da poter limitare i consumi di energia.
In funzione delle portate in gioco, gli scambiatori vengono installati in più corpi in parallelo. I saldobrasati utilizzati sono scambiatori della serie TCB3100 e TCB4100 con connessioni dn100 e dn80, flangiate, che consentono di gestire portate di fluido di processo molto elevate.
Nella fase di recupero testa/coda sulle colonne di distillazione abbiamo in particolare inserito un vero e proprio recupero energetico, effettuando in pratica uno scambio di calore tra il prodotto finale e il prodotto in ingresso alla colonna di distillazione. In tal modo è possibile sfruttare le temperature del prodotto in uscita per pre-riscaldare il prodotto in entrata, ottimizzando ulteriormente l’efficienza del processo.
A completamento del ciclo abbiamo fornito anche due piccoli cooler a piastre sella serie TCB H per alta temperatura, che gestiscono un ciclo di raffreddamento con un salto termico fra primario e secondario di oltre 160°C.
Le torri evaporative sono macchinari impiegati per raffreddare l’acqua nei processi industriali che vengono installate all’esterno. In molti casi abbiamo realizzato applicazioni in regioni in cui le condizioni climatiche sono estreme, con grande escursione termica e quindi estati calde e inverni molto rigidi. Parliamo di applicazioni ad esempio in acciaierie, dove in inverno le temperature vanno molto al di sotto dello 0°, parliamo di temperature di -20°C, -30° C e -40° C. Essendo asservite a processi industriali, le torri di raffreddamento devono garantire il massimo delle prestazioni in ogni condizione. Per questo vengono progettate e realizzate per lavorare nella peggiore delle condizioni, che essendo deputate a produrre acqua fredda è rappresentata dal caldo estivo.
Per garantire il funzionamento anche durante la stagione invernale, il problema è legato alla discesa della temperatura a livelli estremamente bassi. In questi casi si impiegano alcuni accorgimenti, primo fra tutti il ricorso a resistenze anti gelo, che provvedono a mantenere l’acqua nella vasca a una temperatura minima evitando che questa congeli in caso di fermata della torre.
Infatti, fino a che l’impianto e la torre sono in funzione, l’acqua arriva continuamente dal processo a una temperatura di 30-40° C, ed essendo in circolazione difficilmente l’acqua congelerà nella vasca. Potrebbe però accadere che occorre fermare il processo, oppure si debba arrestare la torre per interventi di manutenzione, o ancora per un periodo di vacanza. In questi casi l’acqua potrebbe congelare nella vasca.
Con vasche di dimensioni molto elevate le resistenze anti gelo non sono più sufficienti. Vengono allora spesso inseriti dei tubi di vapore tramite una tecnica chiamata in gergo ‘barbotage’, che scarica in vasca del vapore esausto proveniente da lavorazioni secondarie. Altri accorgimenti riguardano la circolazione dell’acqua in torre: a mano a mano che la temperatura scende si potranno fermare i ventilatori, in quanto avremo necessità di una efficienza di scambio termico inferiore. Si possono pertanto o fermare i ventilatori, oppure in caso di ventilatori EC a controllo elettronico dotati di inverter, andare a diminuire la velocità fino al totale arresto quando il cosiddetto ‘effetto camino’ naturale della torre sarà sufficiente a raffreddare l’acqua.
Più la temperatura scende e più questo effetto camino diviene eccessivo, anche per i carichi termici a valle della torre. Lo step successivo è quindi non far più passare l’acqua in torre ma bypassarla direttamente in vasca, per evitare che l’acqua ghiacci all’interno dei pacchi di riempimento, andando a tappare completamente la torre. Oltre ad appesantirli, con il grave rischio che collassino all’interno della torre stessa.
Nel caso le temperature siano rigide per parecchio tempo si possono quindi mettere delle paratie per chiudere gli ingressi dell’aria, limitando ulteriormente l’ingresso dell’aria nella torre che potrebbe andare a congelare l’acqua che passa o percola dai pacchi di riempimento.
Quelle nelle immagini che vedete sono centraline di termoregolazione che abbiamo realizzato per un fornitore di componenti automotive, attivo anche nell’ambito elettrificazione e powertrain elettrico.
Il cliente ha in particolare richiesto centraline per applicazione in camere di prova di diversi sistemi accessori per automotive. Le unità servono in pratica a testare componentistica auto come pompe per idroguida, sistemi accessori per condizionamento e sensoristica varia.
Le unità di termoregolazione per i banchi prova consentono attività di test dei componenti in un ampio range di temperatura che varia da -30° C a +130° C.
I chiller ad assorbimento sono macchine termiche che consentono di ottenere freddo dal caldo.
Solitamente si tratta di una tipologia di gruppi frigoriferi di grossa potenza, impiegati in impianti di condizionamento o impianti industriali con carichi termici importanti, e soprattutto molto costanti. Questo perché si tratta di macchine con un ciclo termico piuttosto delicato. Vengono utilizzati soprattutto in ambito HVAC, quindi nel condizionamento sia civile che industriale.
Esistono però anche macchine con potenze molto più contenute che consentono di lavorare sia per applicazioni di condizionamento che per applicazioni di processo nell’industria, potendo raggiungere temperature fino a -10° C.
Sono macchine prodotte da Robur, azienda italiana che diversi anni fa acquisì il brevetto da una compagnia americana. Si tratta sostanzialmente di gruppi frigoriferi ad assorbimento di piccola taglia. In versione standard queste macchine prevedono un bruciatore a fiamma diretta che provvede a fornire il calore necessario a innescare il ciclo termico, e quindi produrre il freddo.
Un’idea molto interessante che mi ha affascinato è quella di sfruttare dei cascami termici provenienti da lavorazioni industriali per attivare lo stesso ciclo. L’azienda ha in pratica modificato la macchina per realizzare all’interno una sorta di scambiatore di calore, che consente di utilizzare cascami termici derivati da produzione, da vapore esausto, da olio diatermico a fine lavorazione, con pertanto un notevole risparmio energetico.
Interessante è infatti qui applicare il recupero di calore per produrre freddo, sfruttando energia che altrimenti andrebbe persa e dissipata.
L’unico limite che vedo in questa applicazione è che servono cascami termici a temperature piuttosto elevate, tra i 190° C e i 220° C.
Non è facile trovare calore di scarto a questa temperatura, ma laddove fosse disponibile la soluzione è sicuramente estremamente interessante nonché intrigante.
Penso naturalmente ad applicazioni dove si abbia una continua generazione di calore a perdere, per consentire una continua generazione di freddo. Soluzione che potrebbe quindi risultare molto interessante in tantissime applicazioni industriali, come ad esempio legata ai fumi di scarico da cogenerazione o anche applicazioni legate a fumi da acciaierie e lavorazione del metallo, dove è disponibile parecchia energia di alta qualità, ovvero ad alta temperatura.
Le unità provvedono alla termoregolazione fine nei processi di produzione, con la particolarità di lavorare a 150°C con acqua pressurizzata. L’applicazione comporta pertanto condizioni veramente impegnative e stressanti a carico dei vari componenti delle centraline.
A dimostrazione di quanto sfidante sia l’applicazione, queste centraline di termoregolazione speciali sono difatti il risultato di circa sei anni di ricerca e sviluppo di Tempco svolta sui materiali e sui componenti con tutta una serie di test e sperimentazioni.
TEMPCO studia e realizza sistemi e soluzioni per il raffreddamento, riscaldamento, termoregolazione e scambio termico, nei differenti processi produttivi industriali.
