Il calore di fabbrica riciclato beneficia le industrie e l'ambiente

Il calore di fabbrica riciclato beneficia le industrie e l'ambiente

I processi industriali rappresentano più di un quarto del consumo di energia primaria in Europa e producono una quantità enorme di calore. La ricerca finanziata dall'UE sta chiudendo il cerchio con nuovi sistemi che recuperano il calore di scarto e lo restituiscono per il riutilizzo nelle linee di processo industriale.

La maggior parte del calore di processo si perde nell'ambiente sotto forma di gas di scarico. Recuperare e riutilizzare questo calore riduce il consumo di energia, le emissioni e le sostanze inquinanti. Permette alle industrie di ridurre i costi, soddisfare i regolamenti e migliorare la loro immagine aziendale con impatti più ampi sulla competitività. Una delle maggiori sfide è affrontare l'immensa varietà di temperature e costituenti dei gas di scarico, il che rende difficile l'uso di scambiatori di calore standard. Il progetto ETEKINA, finanziato dall'UE, ha sviluppato nuovi scambiatori di calore su misura (HPHE), sperimentati con successo nelle industrie della ceramica, dell'acciaio e dell'alluminio.

Un ampio spazio di progettazione soddisfa le esigenze di flussi di scarico complessi

I tubi di calore sono tubi sigillati ad entrambe le estremità e contenenti un fluido di lavoro a saturazione, il che significa che qualsiasi aumento di temperatura lo farà evaporare. Sono utilizzati per la gestione del calore in applicazioni che vanno dai computer ai satelliti e 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 il gas di scarico scorre nella sezione inferiore. Il fluido di lavoro vaporizza 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 minimizza le perdite, mentre la piastra minimizza la contaminazione incrociata tra il gas di scarico e l'aria. Gli HPHE richiedono superfici più piccole per un maggiore trasferimento di calore rispetto agli approcci convenzionali. Questo li rende molto efficienti e attenua il fouling. La sfida consiste nello scegliere i parametri in modo da recuperare il maggior calore possibile da flussi di rifiuti complessi. Ci sono così tanti parametri, tra cui il numero, il diametro, la lunghezza e il materiale dei tubi di calore; la loro configurazione assemblata; e il fluido di lavoro.

Dai modelli alle fabbriche

Dato l'immenso spazio dei parametri, sono stati sviluppati modelli difluidodinamica computazionale e simulazione di sistemi transitori (TRNSYS) per aiutare gli scienziati a progettare HPHE su misura per tre applicazioni industriali. Per esempio, l'HPHE a flusso incrociato, alettato e resistente al fouling (le alette aumentano la superficie per aumentare il trasferimento di calore) progettato per recuperare il calore di scarto da un forno a rulli per ceramica è stato il primo in questa configurazione applicato 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 un recupero minimo del 40% del calore residuo dai flussi di scarico. I nostri HPHE sono anche molto più compatti degli scambiatori di calore convenzionali, risparmiando spazio prezioso in fabbrica. Oltre alla loro efficienza, che abbassa i costi e le emissioni, hanno anche un breve ritorno sull'investimento", dice Hussam Jouhara della Brunel University di Londra e coordinatore tecnico e scientifico del progetto ETEKINA. I sistemi hanno recuperato con successo il calore senza contaminazione incrociata e lo hanno incanalato di nuovo nella fabbrica per essere usato in altri processi. Il concetto HPHE sviluppato nel contesto di ETEKINA è altamente scalabile e può essere adattato a qualsiasi tipo di scarico industriale su una vasta gamma di temperature e per una varietà di pozzi di calore, tra cui aria, acqua e olio. Un nuovo strumento di replicabilità aiuterà a valutare rapidamente il potenziale di recupero del calore residuo dei futuri clienti.

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