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Risparmiare energia nello scambio termico

impianto di produzione di energia

Risparmiare energia nei processi di scambio termico è possibile ed auspicabile.

Solitamente si parte dal progetto e dal dimensionamento, ma a mio avviso è importante porre la massima attenzione ai dettagli, mi spiego meglio.

Tutti noi ormai nelle nostre abitazioni, siamo abituti ad avere i doppi vetri, a fare attenzione alle coibentazioni, a pensare a serrande ben costruite e serramenti precisi e con pochi spifferi, questo perchè la prima fonte di guadagno energetico è il risparmio che si può ottenere, tramite una efficiente coibentazione ed una conseguente diminuzione delle dispersioni termiche.

Nel settore dei processi industriali l’obiettivo è lo stesso.

Quindi porre attenzione ai dettagli, una volta finito l’impianto, una buona coibentazione, adeguata alle temperature di utilizzo ed alla tipologia di impiego (caldo o freddo), permettono di:

  • ottimizzare gli utilizzi
  • limitare sprechi di energia
  • monitorare meglio ipropri processi
  • in pratica risparmiare e fare efficienza.

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Efficienza e risparmio energetico

piastre sporche

Quando progetto un nuovo impianto oppure l’upgrade di un impianto esistente, in primo piano viene posto sempre e comunque il fattore risparmio energetico e la relativa efficienza.

Questa è una regola fondamentale e basilare nella progettazione moderna degli impianti.

Quando poi vado a fare i rilievi in campo, mi ritrovo delle situazioni che stridono con quello che dovrei mettere in pratica, mi spiego meglio.

Gli impianti di raffreddamento/riscaldamento/termoregolazione, sono impianti non produttivi, ovvero sono dei servizi ai processi produttivi.

Spesso questi impianti, una volta installati vengono completamente dimenticati, anche dagli addetti alla manutenzione, che a causa di carichi di lavoro impegnativi e necessità di contrarre i costi si trovano nella difficile posizione di dover manutenere, spendendo poco ed impiegandoci pochissimo tempo.

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L’efficacia della semplicità, lasciando indietro il passato.

chiller e free cooler

Semplice ed efficace o complesso ed inutile?

Questo è il tipico dilemma che ogni tanto mi si para davanti, quando mi ritrovo di fronte a certe richieste, legate all’energia termica, che arrivano dai clienti.

In effetti l’avvento della tecnologia sempre più sofisticata, nel campo della regolazione degli impianti, fa si che ci sia una tendenza ad usare apparecchiature di controllo estremamente sofisticate, per svolgere delle funzioni tutto sommato semplici e banali (come controllare una temperatura), con il risultato di creare una micidiale confusione.

1) Complicazione inutile.
Molto spesso, la richiesta di apparecchiature di termostatazione skid package è accompagnata da “material requisition” dallo spessore tecnico (ma non solo in senso figurato), micidiale:

  • Centinaia di pagine di specificheRichiesta di strumentazione sofisticatissima
  • Sistemi di controllo ridondanti
  • Interfacce per controllo remoto

2) Molto spesso queste richieste nascono semplicemente da un copia/incolla di specifiche tecniche pre-digerite oppure dalla pur meritevole voglia di non farsi mancare nulla, quando e se un domani dovesse servire quel qualcosa…quando magari la necessità effettiva del’operatore e del processo che si deve controllare è molto più banalmente:

  • Un punto di regolazione della temperatura (con un set-point che una volta impostato magari non verrà mai più toccato)
  • Una azione PID
  • Un riporto remoto cumulativo di blocco
  • Un riporto remoto di funzionamento regolareMore…

tcpuhc

Tutto quindi riconducibile ad una elettronica/elettromeccanica semplice e lineare, facilmente accessibile anche all’utente meno scafato (skilled).

Il tutto si traduce in minor costi iniziali, facilità di gestione, minori necessità di assistenza (se non addirittura nulla, in quanto risolvibile con una assistenza telefonica).

Ma…e c’è sempre un ma…le specifiche sono sacre, quindi…

Si ritorna alla complicazione inutile.

A tal proposito vale la pena ricordare che anche a livello di controlli complessi (parlo di PLC), esistono ormai dei processori, molto semplici e poco costosi, che permettono con pochissima programmazione, di avere funzioni ridondanti e complete, senza andare a finire su apparecchiature di processo, sofisticate, complesse ed eccessivamente costose. Questo permette di lasciare indietro il passato fatto di elettromeccanica complicata e poco flessibile, senza andare a finire in un futuro eccessivamente “tecnicizzato”.

Classica la domanda del tecnico sull’impianto, che pur con in mano il manuale di 500 pagine, chiama per chiedere come regolo il set-point?

Semplice è bello, ma anche comodo (mai sognato un telecomando con 5 tasti 5?).

Come risparmiare e velocizzare:
andiamo diritti al punto 2, analizziamo insieme le effettive necessità del processo e semplifichiamo, magari lasciandoci aperte delle porte per futuri ampliamenti.

Qualcuno di famoso disse…quello che non c’è non si rompe…certo sembra un pò banale, ma a volte è utile ragionarci sopra.

 

TCPU HC E

Scelta della temperatura del bulbo umido in una torre evaporativa

Per stabilire le condizioni di funzionamento di una torre evaporativa è essenziale precisare la temperatura a bulbo umido dell’aria e dell’ambiente.

torri 1

Le condizioni più gravose per la torre si hanno nei mesi estivi, che sono caratterizzati dalle temperature del bulbo umido più elevate. In caso d’acquisto di una torre, l’indicare una temperatura del termometro umido molto alta, pensando di disporre così di un apparecchio più abbondante o di ottenere, magari senza bisogno, una temperatura più bassa dell’acqua, significa spendere di più e quindi immobilizzare del capitale che non renderà mai nulla: le sovrabbondanze rispetto al fabbisogno reale devono essere calcolate a ragion veduta od, eventualmente, se ne deve tener conto indicando la portata d’acqua con un certo margine in più.

E’ sempre consigliabile interpellare il costruttore delle torri evaporative perché questi, per risolvere ogni singolo problema, ricorre ad apparecchi di serie con caratteristiche ben precise per cui difficilmente potrà offrire una torre dell’esatta capacità richiesta, ma proporrà già egli stesso un apparecchio in grado di soddisfare la capacità richiesta con un certo margine. I costruttori seri, nell’indicare i dati di funzionamento delle proprie torri tengono sempre conto di un certo margine di sicurezza.

Si può affermare di conoscere, con buona approssimazione, la temperatura al termometro umido di una certa località, quando si conoscano le tre letture giornaliere del termometro umido di tutti i giorni dell’anno, per un periodo di almeno 5 o 6 anni (questo periodo è il minimo, 10 anni rappresentano l’arco di tempo più accettabile). Esistono ad esempio studi per la città di Milano che riportano le analisi delle temperature del termometro umido degli ultimi 40 anni.

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Ricordatevi dell’antigelo.

Ormai siamo abituati ad inverni non proprio rigidi, ma sembra che non sia questo il caso.

Proprio in questi ultimi giorni, ci si sono presentati alcuni casi di rottura di scambiatori a causa gelo.

Le batterie di free cooling sono sicuramente le più esposte a questo problema. Infatti proprio in questo periodo vedono la loro massima funzionalità. Spesso vengono dimensionate per un raffreddamento spinto, per poterle impiegare il più a lungo possibile, anche durante le stagioni intermedie.

Questo beneficio progettuale, va tenuto in considerazione anche e soprattutto durante la stagione fredda.

Infatti anche con acqua in circolazione, la notevole potenzialità di scambio termico, unita alla notevole massa di aria movimentata, portano facilmente e rapidamente l’acqua in circolazione a temperature di congelamento.

Il problema viene risolto facilmente, integrando l’acqua in circolazione con dell’antigelo.

Di seguito alleghiamo un semplice diagramma per la determinazione della percentuale di antigelo da addittivare all’acqua in base alla temperatura ambiente.

E’ importante utilizzare come antigelo del glicole monoetilenico inibito, addittivato con degli inibitori di corrosione…il prodotto è quello che viene messo nei radiatori automobilistici per intenderci.

free cooler ghiacciatodiagramma glicole

Vapore acqueo, pennacchio…inquinamento?

Quando i vari telegiornali ci parlano di inquinamento, a parte il solito flmato con in bella vista lo scarico fumante di una autovettura, ci propinano la classica ripresa di una torre evaporativa di una centrale di produzione di energia, con il suo bel pennacchio fumante.

Tutti inorriditi, tutti scandalizzati, ma quel pennacchio inquina?

E’ del semplice e banale vapore acqueo.

Sicuramente a livello di impatto visivo, l’effetto è importante e desta attenzione, l’ultimo trend vuole che qualsiasi impianto di una certa rilevanza, abbia il minore impatto ambientale possibile. Ma in definitiva questo pennacchio sicuramente non sarà bello, ma non è inquinante. Tanto è vero che spesso accade di vedere in prossimità di tali impianti, dove ci sono delle torri evaporative fumanti, dei cartelli enormi che specificano “VAPORE ACQUEO”, piazzati a bella posta, per evitare il continuo stillicidio di interventi delle A.S.L. locali, per verificare un inquinamento che non c’è.

A livello locale, in giornate particolarmente fredde, può creare dei problemi la ricaduta, con formazione di ghiaccio, che deve essere opportunamente segnalato e/o evitato da chi gestisce l’impianto.

pennacchio torre evaporativainduced cooling towerantipennacchio

Va detto che per alcuni impianti, viene richiesta una speciale esecuzione con sistemi di abbattimento del pennacchio, ma questo sarà un prossimo argomento, particolarmente interessante.

Come funziona una torre evaporativa e quanta acqua consuma

induced cooling tower

La torre refrigerante evaporativa è una macchina molto semplice, che serve per raffreddare acqua mediante lo scambio diretto con l’aria.

Ci possono essere differenti tipologie di torre evaporativa:

  • indotte, con ventilatori in aspirazione
  • forzate, con ventilatori in mandata
  • counter flow, con flusso di acqua e di aria in controcorrente
  • cross flow, con flusso di acqua e di aria a correnti incrociate

in ogni caso tutte funzionano sul medesimo concetto.

La tipologia decisamente più diffusa è quella counter-flow, che sia essa forzata od indotta, in quanto presenta una maggiore efficienza di funzionamento.

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Calcolo di uno scambiatore di calore

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Il calcolo di uno scambiatore di calore è un esercizio piuttosto semplice tutto sommato, in pratica si tratta di applicare una formula matematica con una serie di dati e di coefficienti, che la bibliografia ci rende abbastanza facilmente.

Ovviamente questo se ci limitiamo al calcolo della superficie di scambio necessaria per un certo tipo di lavoro termico.

Per l’effettivo dimensionamento di uno scambiatore di calore intervengono poi una serie di fattori

  • tipologia costruttiva
  • condizioni limite di progetto
  • flussi termici interni
  • turbolenze
  • ecc…

Questi fattori determinano il dimensionamento vero e proprio dello scambiatore, diventando così la vera e propria essenza della progettazione.

Non voglio in questa sede dilungarmi in un trattato complesso, ma volevo riassumere alcuni concetti fondamentali relativi al calore, alla sua trasmissione e al dimensionamento basilare di uno scambiatore di calore.

Di seguito alcuni estratti del documento che potete tranquillamente scaricare.

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Engineering page

Engineering page è un sito molto interessante, che ho scoperto casualmente navigando sul web cercando informazioni tecniche, che ritengo utile segnalare.

E’ una vera e propria miniera di informazioni ed utili strumenti per i tecnici ed i progettisti. Essendo un sito statunitense, è tutto in lingua inglese, ma basta un poco di dimestichezza con i termini generalmente usati, per trovare un utile supporto al lavoro di tutti i giorni…è il classico bigino, con il vantaggio di essere interattivo ed online.

Sviluppati con dei piccoli applicativi Java, si trovano i seguenti argomenti:

Per completezza, inserisco anche i termini di utilizzo di questo interessante sito:

Conditions of use
Feel free to use Engineering Page whenever you wish. Ensure safety in design, construction, operation and abandonment for yourself and your fellow human beings. Endeavour to preserve the environment for future generations.
Liabilities
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Meglio un refrigeratore grande o due (tre, quattro…), più piccoli?

Chiller refrigeratori 2

Meglio uno grande o due (tre, quattro…), più piccoli?

Mi riferisco ovviamente alle macchine frigorifere che raffreddano un processo industriale.

In pratica spesso i clienti mi rivolgono questa fatidica domanda:

è meglio avere un unico chiller, torre evaporative, scambiatore…che soddisfa la duty al 100%, oppure meglio scegliere una soluzione di due macchine al 50%?

La risposta è soggettiva e dipende anche dalla tipologia di impianto.

Quando si parla di impianti per processi industriali, che assolutamente non devono mai fermarsi è tassativo a mio parere scegliere la soluzione con macchine più piccole in parallelo.

I clienti di questi impianti, solitamente si assicurano con scelte che prevedono già in partenza una ridondanza di sicurezza, ma anche in queto caso una scelta piutosto che un’altra, hanno dei risvolti che meritano di essere analizzati.

serbatoi chiller

Facciamo un caso specifico:

  • problema: impianto di processo che deve smaltire 1000 KW di potenza termica.
  • schema termico del servizio di raffreddamento: acqua a 18°C con salto termico di 10°C
  • zona di installazione: nord Italia, temperatura ambiente di progetto estiva 35°C, temperatura ambiente invernale 0+5°C
  • soluzione: gruppo frigorifero condensato ad aria, asservito da sistema di free cooling, con relativo serbatoio di accumulo e gruppi di pompaggio.

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