I processi industriali sono responsabili di più di un quarto del consumo di energia primaria in Europa e producono una quantità enorme di calore. Una ricerca finanziata dall’UE sta chiudendo il cerchio grazie a sistemi innovativi che recuperano il calore di scarto e lo restituiscono affinché venga riutilizzato nelle linee di processo industriale.
La maggior parte del calore di processo si perde nell’ambiente sotto forma di flussi di scarico. Recuperare e riutilizzare questo calore riduce il consumo di energia, le emissioni e le sostanze inquinanti, oltre a consentire alle industrie di ridurre i costi, soddisfare i regolamenti e migliorare la propria immagine aziendale, con ripercussioni più in generale sulla competitività.
Una delle maggiori sfide è l’immensa varietà di temperature e costituenti dei flussi di scarico, che rende difficile l’uso di scambiatori di calore standard. Il progetto europeo ETEKINA ha sviluppato scambiatori di calore a tubi di calore (HPHE, Heat Pipe Heat Exchanger) innovativi e su misura, sottoposti a una riuscita prova pilota in industrie di ceramica, acciaio e alluminio.
I tubi di calore sono sigillati a entrambe le estremità e contengono un fluido di lavoro a saturazione, il che significa che qualsiasi aumento di temperatura lo farà evaporare. Tali tubi sono usati per la gestione del calore in applicazioni che spaziano dai computer ai satelliti fino ai veicoli spaziali.
In un HPHE i tubi di calore sono installati in fasci attaccati a una piastra e collocati in un involucro. Una fonte di calore come un gas di scarico scorre nella sezione inferiore, dopodiché il fluido di lavoro evapora e sale nei tubi, dove un dissipatore di calore come l’aria fredda scorre nella parte superiore del guscio e assorbe il calore. La struttura chiusa riduce al minimo le perdite, mentre la piastra a sua volta riduce al minimo la contaminazione incrociata fra il gas di scarico e l’aria.
Gli HPHE richiedono superfici più ridotte per un maggiore trasferimento di calore rispetto agli approcci convenzionali: è proprio questo a renderli molto efficienti e a minimizzare i guasti. La sfida consiste nello scegliere i parametri in modo da recuperare la maggior quantità di calore possibile da flussi di scarto complessi. Infatti, i parametri da tenere in considerazione sono numerosi: il numero, il diametro, la lunghezza e il materiale dei tubi di calore, la loro configurazione una volta assemblati e il fluido di lavoro.
Dai modelli alle fabbriche
Grazie alla fluidodinamica computazionale sono stati creati dei modelli di simulazione di un sistema transitorio (TRNSYS, Transient System Simulation) per aiutare gli scienziati a progettare HPHE su misura per tre applicazioni industriali.
Per esempio, l’HPHE a flusso incrociato, alettato e resistente ai guasti (le alette aumentano la superficie per un maggiore trasferimento di calore), progettato per recuperare il calore di scarto da un forno a rulli per la ceramica, è stato il primo a essere applicato in questa configurazione nell’industria della ceramica. I gusci dei tubi di calore erano in acciaio al carbonio e l’acqua era il fluido di lavoro.
«Abbiamo superato l’obiettivo del progetto di recuperare un minimo del 40% del calore di scarto proveniente dai flussi di scarico. I nostri HPHE sono anche molto più compatti degli scambiatori di calore convenzionali – afferma Hussam Jouhara, coordinatore tecnico e scientifico del progetto – consentendo di risparmiare spazio prezioso in fabbrica. Oltre alla loro efficienza, che riduce i costi e le emissioni, hanno anche un ritorno sull’investimento in tempi rapidi».
I sistemi sono riusciti a recuperare il calore senza contaminazione incrociata e lo hanno incanalato di nuovo nella fabbrica affinché venisse usato in altriprocessi.
Il concetto HPHE sviluppato nell’ambito di Etekina è altamente scalabile e può essere adattato a qualsiasi tipo di scarico industriale a una vasta gamma di temperature e per un’ampia varietà di dissipatori di calore, fra cui aria, acqua e petrolio. Uno strumento di replicabilità innovativo contribuirà a valutare rapidamente le potenzialità di recupero del calore di scarto dei futuri clienti.
