Condensatori di vapore per il termotecnico, il parere di EVAPCO

Jean-Pierre Libert, VP Power Product Development EVAPCO ci spiega i vantaggi dei condensatori di vapore raffreddati ad aria per il termotecnico.

Lo sviluppo di un condensatore di vapore raffreddato ad aria per gli impianti termoelettrici è un’operazione di bilanciamenti: da un lato l’obiettivo è di massimizzare il trasferimento di calore, dall’altro di minimizzare le cadute di pressione, limitando i consumi di energia e i relativi costi. L’azienda leader EVAPCO ha utilizzato ANSYS Fluent per progettare le nuove alette di uno scambiatore di calore per il proprio condensatore raffreddato ad aria. I risultati ottenuti hanno portato allo sviluppo di una configurazione completamente nuova per gli scambiatori di calore.

Quasi tutta l’elettricità prodotta negli Stati Uniti deriva da fonti termoelettriche. Storicamente questi impianti hanno usato un processo che comporta l’uso di enormi quantità di acqua: l’acqua viene portata a ebollizione per generare vapore, il vapore fa ruotare le turbine per generare elettricità, l’acqua fredda raffredda il vapore per riportarlo allo stato liquido in un condensatore ed essere poi riutilizzato.

Condensatori di vapore per il termotecnico

Molti impianti prelevavano l’acqua dai fiumi o dai laghi, ma per effetto di normative ambientali più rigorose, sono state aggiunte torri di raffreddamento evaporativo, dapprima per ridurre la temperatura delle acque prima di rimetterle nell’ambiente, successivamente per creare circuiti chiusi e ridurre l’impatto ambientale. Tuttavia, anche passando al raffreddamento evaporativo, vengono comunque usate quantità significative di acqua.
A causa della crescita generale della domanda di acqua negli ultimi decenni, i legislatori hanno introdotto leggi per la conservazione dell’acqua.

Di conseguenza è aumentato il numero di impianti che utilizzano l’aria come refrigerante al posto dell’acqua. Questi impianti condensano il vapore usando l’aria ambientale, senza consumo di acqua. Per quanto i sistemi di raffreddamento a secco non eliminino l’uso dell’acqua, si calcola che la riduzione sia di più del 98%. Ma anche il risparmio di acqua ha un costo: i sistemi di raffreddamento a secco richiedono forti investimenti di capitale e tipicamente richiedono ulteriore energia per il loro funzionamento.

Condensatori di vapore per il termotecnico

Per massimizzare la capacità di trasferimento del calore nei suoi condensatori di vapore raffreddati ad acqua (ACC) e allo stesso tempo migliorarne l’efficienza energetica, EVAPCO, costruttore di prodotti per il raffreddamento evaporativo e a secco, ha utilizzato ANSYS Fluent per identificare le aree in cui era possibile migliorare la tecnologia delle alette usata negli scambiatori di calore a fascio tubiero. La modellazione ha portato allo sviluppo di un nuovo tipo di alette, Arrowhead™, in fase di brevettazione. Le alette Arrowhead migliorano in modo significativo il trasferimento di calore rispetto alla tecnologia attuale, limitando anche la quantità di energia necessaria per superare le cadute di pressione quando l’aria viene forzata attraverso lo scambiatore di calore.

Condensatori di vapore per il termotecnico

Un vortice muove l’aria in modo più efficiente, senza aumentare le cadute di pressione
L’ACC convoglia il vapore verso una serie di scambiatori di calore a tubo alettato in cui l’aria ambientale opera come fluido refrigerante. L’aria viene forzata tra le alette ad alta velocità per condensare il vapore, che all’interno del tubo può muoversi a velocità fino a 125 metri al secondo. Lo scopo delle alette è di aumentare la superficie di trasferimento del calore e ampliare l’area di raffreddamento. Il disegno delle alette, che prevede la presenza di increspature, ondulazioni e avvallamenti, aumenta il trasferimento di calore ma a spese di una maggiore caduta di pressione. Mentre è possibile compensare la caduta di pressione aumentando la potenza del motore della ventola per spingere più aria nello scambiatore, ciò porta all’aumento dell’energia parassita e dei costi operativi dell’installazione.

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Gli ingegneri impegnati nella progettazione di condensatori raffreddati ad aria devono affrontare la sfida di massimizzare la capacità di trasferimento di calore, minimizzare la caduta di pressione dell’aria e limitare i consumi energetici e i costi di capitale. Per raggiungere questo risultato EVAPCO ha modellato centinaia di geometrie delle alette in ANSYS Fluent per caratterizzare le proprietà di trasferimento di calore e caduta di pressione. La simulazione mirava a migliorare la generazione dei vortici: i vortici migliorano infatti il trasferimento di calore facilitando il rimescolamento dell’aria tra le alette, minimizzando l’aumento di caduta di pressione. Dopo avere scoperto che un certo tipo di vortice muoveva l’aria in modo più efficiente senza aumentare la caduta di pressione, gli ingegneri EVAPCO hanno usato questa conoscenza per sviluppare la tecnologia dell’aletta Arrowhead.
“Grazie all’uso di ANSYS Fluent per massimizzare il trasferimento di calore e minimizzare le cadute di pressione, EVAPCO ha creato un prodotto all’avanguardia che sarà di beneficio all’intero settore della produzione di energia”.

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Il software per la fluidodinamica computazionale ANSYS Fluent ha permesso all’azienda di ridurre i tempi e i costi necessari per la costruzione e il test di qualcosa come 100 prototipi. Ma soprattutto, anche se EVAPCO avesse realizzato tutti quei prototipi, senza le conoscenze ricavate dall’uso di ANSYS Fluent, gli ingegneri non avrebbero mai ricavato preziose informazioni sui vortici d’aria o su come rendere il disegno delle alette più efficace.
Miglioramenti significativi nella capacità termica e riduzione dei costi
Dopo avere definito un disegno efficace delle alette, l’azienda è andata oltre, perfezionando anche l’intero sistema di scambio di calore. Gli ingegneri hanno applicato ai tubi dello scambiatore di calore AAC il concetto di microcanale in uso in altri comparti del trasferimento di calore. Studiando i flussi di valore all’interno dei tubi con ANSYS Fluent, i tecnici EVAPCO sono stati in grado di introdurre modifiche alle geometrie dei tubi e ottimizzare la caduta di pressione del vapore. Fluent ha permesso inoltre di investigare i campi di flusso del vapore all’interno dei tubi e del collettore dello scambiatore di calore, ricavando nuove conoscenze sulle perdite di caduta di pressione, che varia da tubo a tubo.

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Fluent ha inoltre consentito agli ingegneri EVAPCO di investigare l’erosione accelerata dal flusso e creare strutture interne in grado di minimizzarla: ad esempio ottimizzando il flusso all’interno del collettore di vapore ed evitando strozzamenti del flusso nei tubi. Le informazioni ricavate da questa analisi sono state importanti per creare il disegno finale del collettore. Dall’unione delle alette Arrowhead e della nuova geometria del tubo è nato lo scambiatore di calore nuCore, che migliora notevolmente il trasferimento di calore in un ampio ventaglio di condizioni operative minimizzando la superficie dell’AAC con conseguente riduzione dei costi. L’uso della simulazione Fluent per la ricerca sulle alette e lo sviluppo della nuova configurazione dello scambiatore di calore con le nuove alette e la nuova geometria del tubo ha portato a un aumento della capacità termica di almeno il 15%.

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Un supporto di qualità porta a migliori prodotti per il trasferimento di calore
Prima di scegliere ANSYS Fluent gli ingegneri ECAPCO utilizzavano un software di fluidodinamica computazionale più semplice ma che si era rivelato troppo limitato per affrontare il lavoro di perfezionamento delle alette. Pertanto hanno valutato tre prodotti, tra i quali ANSYS Fluent. Oltre a considerare i punti di forza tecnologici di ciascun sistema di simulazione, hanno preso in esame il supporto tecnico, la formazione e la possibilità di poter scegliere se acquistare o “affittare” il prodotto.
La conclusione è stata che nessun prodotto poteva eguagliare la capacità di supporto di ANSYS o l’offerta di formazione personalizzata che aveva permesso loro di creare alcuni dei primi modelli con la massima accuratezza e velocità di calcolo. Grazie a ANSYS Fluent, EVAPCO ha creato un prodotto per il trasferimento di calore all’avanguardia, più efficiente, compatto ed economico che porterà vantaggi all’intero settore della produzione di energia. Senza dimenticare il risparmio di una risorsa preziosa come l’acqua.