pompe di calore industriali
analisi pinch
l'analisi pinch
In certi casi semplici, per esempio quando un sistema include soltanto una fonte di calore di scarto e un utilizzatore per l’energia termica prodotta, l’inserimento di una pompa di calore non pone problemi concettuali. Quando, al contrario, si tratta di sistemi termici più complessi, per esempio un impianto chimico o un impianto nell’industria alimentare, con tanti flussi da riscaldare o raffreddare, si deve progettare la rete dei flussi in modo tale da recuperare prima, dove possibile, il calore di scarto tramite degli scambiatori e solo dopo l’esaurimento di questa possibilità, apportare energia dal esterna per riscaldare o raffreddare i carichi rimanenti.
Il fatto che esiste una dipendenza abbastanza forte fra la resa termica ed il COP di una pompa di calore e le temperature dell’evaporatore ed del condensatore, comporta che l’inserimento di una pompa di calore in un sistema termico complesso, diventa inevitabilmente un’operazione delicata che richiede un’analisi approfondita dal sistema interessato al fine di garantire un risultato tecnico/economico ottimale.
Il metodo Pinch è stato sviluppato inizialmente negli anni ’70 per l’industria chimica e petrolchimica, il suo utilizzo è stato esteso a tutti i settori ad alta intensità energetica (in particolare l’industria della carta, l’industria alimentare e l’industria siderurgica).
Questo metodo consente di determinare il consumo energetico minimo necessario per il funzionamento di un processo o di un sito industriale, i cosiddetti valori target. Dal confronto fra questi valori ideali e i consumi reali del impianto risulta quanta energia si può risparmiare ottimizzando la rete di scambiatore per il ricupero del calore. La metodologia può essere applicata a ciascuno dei processi ad alta intensità energetica del sito o all’intero sito.
Il metodo pinch permette di progettare in modo analitico una rete di scambiatori di calore economicamente ottimale. In oltre, questo procedimento permette definire il punto ottimale per inserire la pompa di calore o altre macchine termodinamiche nel sistema.
Qui ci limitiamo ad accennare gli elementi principali di questo metodo. Una guida pratica per approfondire questa tematica può essere scaricata qui.
la tabella dei flussi
Ogni analisi pinch incomincia con un inventario dei flussi termovettori presenti nel sistema. Per ciascun flusso si deve stabilire la temperatura di partenza, la temperatura finale, la portata di massa e capacità termica del vettore (che si presume costante nell’intervallo di temperatura considerato) e se è il caso, i cambiamenti di fase. Questi dati possono provenire da misurazioni dei parametri operativi di un processo, da simulazioni o da dati di progetto.
Si devono escludere tutti gli scambiatori di calore eventualmente già presenti nel sistema. Anche i flussi provenienti dalle utilities (caldaie, impianti di raffreddamenti, ecc.) devono essere esclusi dalla tabella. Nella figura a sinistra si riporta un esempio semplice di una tabella dei flussi.
Le curve composite
La tabella dei flussi ci permette di creare le curve composite dell’entalpia. Una curva composita è una curva che traccia per un gruppo dei flussi, la somma delle loro entalpie e la temperature alla quale questa energia termica è disponibile. Un esempio è riportato nella figura a lato. C’è una curva che rappresenta i flussi che devono essere raffreddata (i flussi caldi, curva rossa) che hanno energia da cedere e c’una curva dei flussi che devono essere riscaldati (i flussi freddi, curva blu). Il valore assoluto dell’entalpia dipende dalla scelta del livello di riferimento per entalpia (h = 0). Questo implica che si possono spostare le curve sull’asse orizzontale senza alterare l’informazione in esse contenute come illustrato nella figura (a) qui destra. Spostando le curve ad un certo punto si toccano, in questo punto la differenza di temperatura fra i due sistemi è pari a 0 °C . Dato che per avere uno scambio di calore fra i flussi caldi ed i flussi freddi, ci deve essere una differenza di temperatura minima. Perciò, si deve spostare le due curve sino al punto in cui la distanza minima fra le due curve sia eguale a questa differenza minima di temperatura, come si può vedere nella figura (b) qui a lato.
la superficie di scambio ottimale
Nella zona in cui le due curve sono sovrapposte esiste la possibilità di scambiare calore fra i due flussi. Le parte estreme delle curve, che non si sovrappongono, indicano le richieste minime per il riscaldamento ed il raffreddamento (QHmin e QCmin). Si evince dalla figura qui sopra, che per un ΔTmin più grande, che corrisponderebbe ad una superficie di scambio minore, spostando la curva fredda a destra, i valori di QHmin e QCmin aumenterebbero. Questo vuol dire un consumo energetico più alto. Di qui la necessità di trovare un punto ottimale fra gli investimenti, per esempio le superfici di scambio e le spese di funzionamento (il consumo energetico). Il valore ottimale per ΔTmin dipende dalla forma delle due curve composite, i coefficienti di scambio di calore negli scambiatori, il costo dell’energia, il costo degli scambiatori ecc. È necessario raggiungere un compromesso tra il potenziale di risparmio energetico e l’importo dell’investimento corrispondente come è illustrato nella figura a sinistra.
Una volta impostata la differenza di temperatura minima, l’integrazione energetica del processo consiste nell’accoppiare i flussi caldi e freddi per trasferire il calore. Se l’accoppiamento è perfetto (ad esempio senza l’esistenza di vincoli economici, dimensionali o costruttivi), tutto il calore potenzialmente trasferibile tra il flusso composito freddo e il flusso composito caldo verrà scambiato e le esigenze di utenze esterne (riscaldamento o raffreddamento) saranno ridotte al minimo. Tali esigenze devono essere completate mediante l’installazione di opportuni scambiatori (riscaldatori o frigoriferi).
il pinch
Il punto di avvicinamento più vicino delle due curve composite, dove il ∆Tmin è raggiunto, è noto come il punto Pinch, cioè il punto più stretto. La zona sopra questa temperatura è la zona dove esiste un bisogno netto di energia termica mentre che nella zona al di sotto c’è un bisogno netto di raffreddamento.
Si può dimostrare che per un sistema ottimale:
1) non si deve impiegare raffreddamento esterno ai flussi chi si trovano sopra la temperatura Pinch,
2) non si deve impiegare riscaldamento esterno ai flussi che si trovano sotto la temperature Pinch e,
3) non si deve scambiare calore al traverso il Pinch, cioè da un flusso con una temperatura sopra il punto Pinch verso un flusso con una temperatura sotto il punto Pinch, o viceversa (indicato come α nella figura a destra).
Queste sono le tre regole fondamentali dell’Analisi Pinch.
La curva composita grande (Grand Composite Curves)
La maggior parte dei processi vengono riscaldati e raffreddati utilizzando diversi livelli di temperatura per le utilità esterne (ad esempio: vapore a livelli di pressione diversi, acqua di raffreddamento, acqua refrigerata, ecc.). Il costo dell’energia termica aumenta quando la sua temperatura aumenta (n.b. il contrario per raffreddamento). Questo aumento dei costi è particolarmente significativo quando l’energia termica viene prodotta per esempio con una pompa di calore o con un sistema solare termico. Per ridurre al minimo i costi per l’energia, per ogni processo si deve impiegare l’utilità più economica. Ad esempio, è preferibile utilizzare vapore a bassa pressione anziché vapore ad alta pressione ed acqua di raffreddamento anziché di usare un impianto di refrigerazione.
Sebbene le curve composite forniscano obiettivi energetici complessivi, non danno indicazioni su quanta energia deve essere apportata al processo (o sottratta dal processo) e a quale temperatura. Lo strumento per ottenere queste informazioni è la curva composita grande (vedi la figura a sinistra).
Come usare La curva composita grande
La curva composita grande mostra, ad ogni livello di temperatura, la differenza fra la curva composita calda e quella fredda, come è illustrato nella figura qui sopra. Le curve composite spostate (“shifted composite curves”) sono state create spostando la curva composita calda verso il basso e la curva composita fredda verso l’alto, ciascuna di 1/2 ∆Tmin finché non si toccano nel punto Pinch. La figura a destra illustra come con l’aiuto della curva composita grande si può trovare le quantità, e le relative temperature delle fonti energetiche esterne che possono essere impiegate per soddisfare i bisogni energetici di questo specifico processo.
In sintesi, la curva composita grande è uno degli strumenti di base utilizzati nell’analisi del pinch per la selezione dei livelli di temperatura dell’energia esterna da apportare ad un processo e per il quantificare questi apporti.
Come integrare una pompa di calore
Se la pompa si trova completamente sopra il pinch, il caso (a) nella figura a sinistra, si trasforma semplicemente una determinata quantità di energia elettrica in calore. Questo non è economico. Se è posizionata completamente al di sotto del pinch, il caso (b) nella figura, la situazione è ancora peggio dato che l’energia elettrica per il compressore si trasforma nel calore di scarto che aumenta il bisogno di raffreddamento esterno (utilità fredda).
L’unico modo appropriato per posizionare una pompa di calore è mettere l’evaporatore al di sotto del pinch ed il condensatore al di sopra, caso (c). In questo caso il calore viene assorbito al di sotto del pinch diminuendo l’utilità fredda e riportato al di sopra del pinch diminuendo utilità calda.
la pompa di calore nella curva composita grande
Nella figura a destra si mostra una curva composita grande con una pompa di calore. La curva indica a quale temperatura la pompa di calore deve fornire l’energia termica al sistema (Tcond.) e a quale temperatura c’è disponibilità di energia termica per l’evaporatore. Dalla curva si vede che in questo caso l’utilità calda è per il 100 % coperta dall’energia fornita dal condensatore. L’utilità fredda è quasi interamente coperta dall’evaporatore.
La forma della curva indica se il sistema termica è adatta per l’inserimento di una pompa di calore o no. Se la pinch è molto stretta (come nella figura), o acuta intorno al punto pinch, quando le linee partendo dal pinch sono piuttosto orizzontali, allora la differenza in temperatura fra l’evaporatore e il condensatore può essere bassa, il che favorisce il COP. Una curva più smussata porta, a parità di energia fornita dalla pompa di calore, ad una distanza più grande fra la temperatura dell’evaporatore e il condensatore e, di conseguenza, ad un COP minore.
