L’impianto a doppia espansione di azoto è composto principalmente dai seguenti elementi: • 7 compressori a vite;
• 2 turbine radiali o 2 espansori a vite; • 1 scambiatore plate-fin;
• 6 refrigeratori ad acqua (shell and tube) o ad aria (air-cooler); Nel caso di refrigerazione ad acqua sono presenti anche:
• 1 pompa;
• 1 torre evaporativa;
Viene riportata una breve descrizione dei componenti:
4.2.1 Compressore a vite
La struttura tipica dei compressori a vite è rappresentata da due rotori connessi ai corrispondenti alberi che trasmettono il moto dal motore elettrico e una cassa dove sono alloggiati. Il fluido viene compresso procedendo in direzione assiale nel volume racchiuso tra le due viti. All’inizio vi è l’aspirazione causata dall’aumento di tale volume (i profili delle viti in un certo intervallo angolare si distanziano), poi la camera viene isolata e comincia a restringersi (i profili si avvicinano tra loro) fino a quando avviene il collegamento con la mandata dove il gas compresso viene spinto. La rotazione delle due viti è perfettamente sincronizzata da due ingranaggi che si trovano alla loro base. Le viti ruotano nei versi opposti attorno ai loro assi paralleli.
Nei compressori a vite si possono raggiungere elevate velocità di rotazione (1000- 10000 giri/min). I rapporti di compressione nelle macchine moderne si aggirano attorno a 12−15. Funzionano generalmente a secco, dal momento che grazie alle ridottissime tolleranze costruttive si realizza un’ottima tenuta senza l’impiego dell’olio, quest’ultimo è impiegato invece unicamente nella lubrificazione dei cuscinetti e pertanto si espelle dalla macchina un fluido esente da impurità. Si evita pertanto un separatore dell’olio. Come conseguenza
75 le macchine a vite sono particolarmente compatte.Il riempimento è limitato a basse velocità di rotazione prevalentemente a causa delle fughe. Il processo di compressione quindi è molto simile a quello dei compressori a pistone, ma non si ha l'effetto negativo della ri-espansione dei gas intrappolati nel volume morto che è nullo nelle macchine a vite per via della scomparsa della camera di lavoro a fine ciclo.
Il ciclo di funzionamento sul diagramma P -V tipico è mostrato in figura:
Figura 29: Ciclo di riferimento compressore
La differenza con i compressori a pistone è che una camera contemporaneamente può dover eseguire fasi diverse e questo può essere causa di perdite di trafilamento che comportano un aumento della potenza richiesta.
Per una maggiore efficienza si dovrebbe fissare la pressione d'uscita in modo che sia pari a quella dell'ambiente di scarico tale da evitare sovra-compressioni o sotto- compressioni.
Se il rapporto di compressione è troppo alto si ha che l'alta pressione del gas nelle scanalature fa sì che esso si espanda dalla camera del compressore verso l'ambiente di mandata a valle a pressione inferiore con conseguente perdita di energia.
76 4.2.2 Turbina radiale
Una turbina radiale centripeta si compone di una parte fissa e di una parte mobile che prende il nome di girante: la parte fissa, nella quale il fluido viene espanso e gli viene conferita una componente di velocità circonferenziale attorno all'asse della macchina (swirl), è costituita da una voluta (o chiocciola) necessaria a guidare il fluido verso la girante; in alcuni casi uno statore provvisto di palette fisse viene interposto tra la voluta e la girante; quest'ultima è munita di pale e viene attraversata dal fluido che in tal modo compie lavoro. Talvolta a valle della girante può anche essere presente un diffusore per recuperare parte dell'elevata energia cinetica posseduta dal fluido in uscita.
La voluta conferisce al fluido una componente tangenziale di velocità (swirl) prima dell'ingresso nella girante.
Lo statore è dotato di palette fisse e contribuisce ad accelerare il fluido e a conferirgli la componente tangenziale di velocità prima dell'ingresso nella girante. Tra lo statore e la girante è inoltre presente un interspazio nel quale il fluido subisce un'espansione.
4.2.3 Espansore a vite
L’espansore a vite può essere a singola vite o a doppia vite. Quello a doppia vite è geometricamente uguale al compressore, infatti essenzialmente è un compressore che ruota in senso opposto o che ha gli angoli di avvolgimento dei rotori cambiati di segno. La struttura degli espansori a vite è composta da due rotori (viti maschio e femmina) controrotanti connessi ai corrispondenti alberi che trasmettono il moto ad un generatore elettrico. Il fluido viene espanso procedendo in direzione assiale nel volume che si viene a generare tra i lobi delle viti. Il gas riempie il volume tra le viti, isolato e poi scaricato nella zona di mandata a bassa pressione.
77 1. Cassa statorica: è il contenitore in cui sono alloggiati i rotori e dove avviene l’espansione del fluido di lavoro. Ha porte d’ingresso e uscita per il collegamento al piping dell’impianto
2. Unità Supporto Cuscinetti
3. Rotori (o viti): sono le parti rotanti che permettono l’aumento del volume in modo tale da produrre l’espansione. Essi ruotano in versi opposti attorno ai propri assi paralleli
4. Guarnizioni 5. Cuscinetti
6. Sistema di lubrificazione: fornisce olio ai cuscinetti al fine di diminuire le frizioni. Questo fluido è raffreddato grazie ad un circuito dedicato
7. Organi di trasmissione: hanno il compito di trasferire il moto rotativo al generatore può esser prevista la presenza di un riduttore di giri al fine di modificare il numero di giri della macchina per rendere la rotazione della macchina sincrona con la rete 8. Ingranaggi sincronizzatori: vista l’assenza di olio, sono presenti due ingranaggi che
permettono il moto dei due rotori
Figura 30:Espansore a vite
Gli espansori a vite sono in grado di elaborare sia gas (aria) che correnti di vapore; per quanto riguarda il vapore essi sono in grado elaborarlo sia in stato surriscaldato, saturo o umido con un titolo inferiore a uno.
78 Queste macchine permettono al fluido di lavoro prescelto di espandersi da una che vige alla luce d’ingresso fino alla pressione che vige alla luce di scarico, quindi questa differenza di pressione è l’unico requisito necessario al fine di avere un funzionamento della macchina. Il fluido viene elaborato grazie alle due viti sopracitate (vite maschio e vite femmina) che con la cassa vanno a definire il volume di lavoro.
Come nel caso del compressore a vite, non si ha la presenza di volume morto; quindi sul diagramma P - V si hanno le seguenti fasi:
Figura 31: Diagramma P-V espansore
4.2.4 Scambiatore Plate-Fin
Gli scambiatori di calore plate-fin sono componenti fondamentali in molti impianti di processo e sono tipici della tecnologia di liquefazione del gas. I vantaggi principali di questo scambiatore sono la compattezza e l’economicità, difatti studi dimostrano che per effettuare lo stesso scambio termico servirebbe un numero elevato di scambiatori disposti in serie ed in parallelo, i quali risulterebbero poco affidabili e sicuramente meno economici. Lo scambiatore di calore plate fin è costituito da un blocco di strati alternati di alette ondulate e di piatti separatori detti “fogli di separazione”. Una vista in sezione è riportata
79 in figura. Le corrugazioni servono sia come superficie secondaria di trasferimento del calore sia come supporto meccanico per contrastare la pressione interna fra gli strati.
Figura 32:Scambiatore Plate-Fin
Il gas (o vapore) scambia calore scorrendo lungo i corrugati di passaggio tra i fogli di separazione. I bordi degli strati ondulati sono sigillati da barre laterali. I corrugati e le barre laterali sono saldo-brasate ai fogli di separazione su entrambe i lati così da formare delle camere più resistenti alla pressione interna. Il primo e l’ultimo foglio, denominati fogli di protezione, sono di solito in materiale più spesso dei fogli divisori, per supportare l’eccessiva pressione sull’ambiente e per proteggere dai danni fisici. Ogni flusso entra nel blocco dal proprio collettore tramite porte nelle barre laterali, posizionati in strati appropriati, e lascia il blocco allo stesso modo.
I collettori sono saldati alle barre laterali e ai fogli divisori in tutta la pila di strati. Pregi e difetti:
Gli scambiatori di calore plate-fin offrono diversi vantaggi rispetto ad altri design:
1. Elevata efficienza termica e piccoli valori di pinch (sono abbastanza comuni valori di tre gradi tra flussi di fluido monofase e un grado tra i liquidi di ebollizione e di condensazione)
80 2. Grande superficie di trasferimento del calore per unità di volume (tipicamente 1000
m2/m3) 3. Peso ridotto
4. Funzionamento multi-stream (fino a dieci flussi di processo possono scambiare calore in un singolo scambiatore)
5. Effettivo funzionamento in contro-flusso (a differenze dello scambiatore di calore shell and tube, dove il flusso lato shell è solitamente un misto tra contro-flusso e cross-flow).
I principali svantaggi sono:
1. Difficoltà nella pulizia delle aree di passaggio, che ne limita l’applicazione a liquidi puliti e relativamente non corrosivi
2. Difficoltà di riparazione in caso di guasto o perdite.
Questi scambiatori possono essere realizzati in vari materiali in funzione del tipo di applicazione.
Nelle applicazioni criogeniche e aerospaziali si preferisce utilizzare l’alluminio a causa della sua bassa densità, alta conducibilità termica e alta resistenza alle basse temperature. La pressione massima di progetto per gli scambiatori di calore a lamine di alluminio brasato è di circa 90 bar.
Per temperature superiori a quella ambiente, la maggior parte delle leghe di alluminio perde la resistenza meccanica: acciai inossidabili, leghe di Nichel e Rame sono utilizzati fino a temperature di 500°C.
4.2.5 Scambiatori Air-cooler
Questi scambiatori operano quando non è possibile refrigerare mediante l’ausilio di acqua, di conseguenza possono essere collocati ovunque senza alcun tipo di vincolo.
81 Nei sistemi raffreddati ad aria (o a secco) il fluido di processo circola attraverso tubi e circuiti che sono investiti dal passaggio della corrente d'aria. Quest'ultima è fatta circolare o in modo naturale oppure attraverso l'ausilio di ventilatori. Passando trasversalmente attraverso i tubi e le rispettive alette, l'aria scambia calore con il fluido da raffreddare attraverso il meccanismo della convezione e della conduzione.
Il vantaggio di lavorare con un refrigerante non corrosivo come l'aria, nel caso in cui anche il fluido di processo non sia a sua volta aggressivo, ci garantisce di avere a disposizione un buon assortimento di materiali, i quali, a questo punto, non hanno più come vincolo principale la resistenza alla corrosione. Questo grado di libertà aggiunto ci consente di fare delle scelte finalizzate al rispetto di altri requisiti, come possono essere i pesi o le dimensioni.
A causa del basso calore specifico dell'aria, del modesto valore del coefficiente di scambio termico convettivo e della bassa conduttività termica, è richiesta una grande portata d'aria, ma soprattutto è necessaria una superficie di scambio significativamente maggiore rispetto al caso di raffreddamento ad acqua. Per questo motivo, sulla superficie dei tubi, molto spesso, vengono aggiunte delle alette per incrementare l'effettiva superficie di scambio.
82 4.2.6 Scambiatori shell&tube
È uno scambiatore di calore a superficie, costituito principalmente da un fascio tubiero collocato all'interno di una carcassa di forma più o meno cilindrica (chiamato mantello). Tale dispositivo è attraversato da due correnti fluide: una corrente scorre "lato tubi" (cioè nell'interno dei tubi), mentre l'altra corrente scorre "lato mantello" (cioè nello spazio delimitato tra la superficie interna del mantello e le superfici esterne dei tubi).
Al mantello fanno capo due bocchelli flangiati, riservati al fluido di servizio (ovvero il fluido raffreddante/riscaldante utilizzato come vettore dello scambio termico, generalmente acqua) e alle testate due riservati al fluido di processo (ovvero il fluido che bisogna raffreddare/riscaldare, che compete direttamente al processo industriale).
Esternamente al mantello è rappresentato un distributore, usato solo in caso di fluidi gassosi lato mantello. Nel mantello possono essere presenti dei piatti di lamiera trasversali detti diaframmi che hanno lo scopo di controllare il regime idraulico nel mantello stesso, aumentando le turbolenze e di conseguenza il coefficiente di scambio termico. All'aumentare del numero di diaframmi il percorso del fluido lato mantello diventa più tortuoso.
4.2.7 Pompa centrifuga
Sono costituite da un organo mobile: la girante, che possiede moto rotatorio ad elevato numero di giri e da organi fissi: cassa a spirale (voluta), tenute, cuscinetti.
La girante è costituita da un disco su cui sono ricavate delle pale che formano dei condotti divergenti ed è calettata su un albero sorretto da cuscinetti
.
La pompa per poter sollevare il fluido deve essere adescata, cioè sia il condotto di aspirazione, sia il corpo della pompa devono essere sempre pieni di liquido. Ciò si realizza disponendo all’inizio del condotto di aspirazione una valvola di fondo (o di non ritorno), che permette il passaggio del liquido solo in una direzione e precisamente dal serbatoio alla condotta di aspirazione.
83 Facendo ruotare velocemente la girante, il fluido viene spinto, per effetto centrifugo, dal centro verso la periferia della girante. La forza centrifuga avente direzione radiale, crea in prossimità del centro della girante (occhio della pompa) una depressione capace di richiamare attraverso la condotta di aspirazione altro liquido, così da mantenere sempre piena tale condotta.
Mentre il liquido percorre i condotti della girante acquista energia cinetica ed energia di pressione a spese dell’energia meccanica impressa all’albero della girante.
All’uscita della girante il fluido passa nella voluta (condotto a sezione crescente) dove parte dell’energia cinetica che possiede viene trasformata in energia di pressione. Tale energia permette la risalita del fluido attraverso la condotta di mandata.
4.2.8 Torre evaporativa
La torre di raffreddamento è uno scambiatore di calore gas-liquido nel quale la fase liquida cede energia alla fase gassosa, riducendo così la propria temperatura. Nella grande maggioranza dei casi la fase gassosa è costituita da aria o vapore d'acqua e la fase liquida da acqua di vario tipo.
La torre a circolazione forzata è di gran lunga il tipo più usato, specie nel raffreddamento dell'acqua. In sostanza è costituita da:
• Una struttura di contenimento (A), in cemento, metallo o plastiche varie, dotata alla base di aperture (B) per la circolazione dell'aria atmosferica, indotta dal ventilatore (C); • Un sistema di distribuzione dell'acqua, costituito da ugelli di distribuzione (D) e da un
riempimento solitamente plastico (E);
84
Figura 34: Torre evaporativa a circolazione forzata
In questa tipologia costruttiva la circolazione dell'aria è garantita dall'energia spesa nel ventilatore (C). Si preferisce posizionare il ventilatore all'uscita della torre anziché all'entrata (B), perché altrimenti potrebbero crearsi degli anelli di ricircolazione all'esterno della torre, dovuti al fatto che parte dell'aria uscente dall'alto potrebbe essere aspirata dai ventilatori posti in basso, e questo ridurrebbe l'efficienza dell'apparecchiatura. D’altra parte, il ventilatore posto all'uscita è soggetto a rapida corrosione ed a guasti dovuti all'umidità dell'aria convogliata, inconveniente ovviamente assente nel ventilatore all'ingresso (di spinta).
L'acqua dispersa nella parte superiore della torre, e quindi cadente verso il basso, viene a contatto con l'aria indotta a salire dal ventilatore o dalla differenza di densità. Il contatto è tanto più intimo quanto più è estesa la superficie delle gocce d'acqua che entrano in contatto con l'aria (ovvero la superficie di scambio di materia). Si ha quindi un trasferimento di massa dalle gocce d'acqua (fase dispersa) verso l'aria (fase continua), dovuto all'umidificazione dell'aria stessa, che non è satura in vapore. Questo trasferimento di massa è di tipo evaporativo, quindi l'acqua cede energia all'aria in modo sostanzialmente isotermico per l'aria, ma con cessione, e quindi con raffreddamento, da parte dell'acqua. Questa esce quindi ad una temperatura inferiore a quella di ingresso. Si noti che la condizione essenziale per il funzionamento è la non saturazione dell'aria (in vapore acqueo); ne consegue che la torre non potrà funzionare (o quasi) in caso di aria satura (ad esempio in un giorno di pioggia)
85