Pianificazione e svolgimento

Come primo passo si sono individuate le grandezze di interesse per la validazione finale, temperature e portate, ed i punti nei quali poterle valutare per poter caratterizzare ogni componente dell’impianto considerato. Da questa indagine sono emersi diciannove valori di temperatura e tre valori di portata:

- Temperature:

 ingresso e uscita preriscaldatore lato mosto;  ingresso e uscita preriscaldatore lato acqua;  ingresso e uscita pfaduko lato acqua;

 ingresso e uscita raffreddamento mosto lato mosto;  ingresso e uscita raffreddamento mosto lato acqua;  ingresso e uscita raffreddamento condensa lato condensa;  ingresso e uscita raffreddamento condensa lato acqua;

 cinque nodi nel serbatoio di accumulo dell’acqua tecnica per valutarne la stratificazione;

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- Portate:

 portata d’acqua nel preriscaldatore;  portata d’acqua nel pfaduko;  portata di condensa.

Figura 4.1: Posizionamento delle sonde di temperatura e dei misuratori di portata.

Delle temperature individuate alcune sono state e sono tuttora tenute sotto trend da Carlsberg®, ma si è ritenuto opportuno avere dei dati ridondanti per poter usufruire, se necessario, di un duplice confronto. Altri valori, al contrario, sono stati recuperati unicamente attraverso i server Carlsberg®;

in quanto dati di qualità già disponibili non si è ritenuto utile replicare le misure; più precisamente ci si riferisce alle temperature del serbatoio di accumulo d’acqua tecnica da 101 m3. Tale serbatoio è munito di cinque sonde di temperatura ad immersione posizionate a varie altezze, partendo dalla parte inferiore dell’accumulo fino alla sommità. Per quanto concerne le portate invece, quelle relative al preriscaldamento mosto sono state monitorate con lo scopo di verificare la compatibilità con quelle dichiarate, ma non misurate, da Carlsberg®, in quanto portate costanti. L’analisi di

portata per lo scambiatore di calore che elabora la condensa sviluppata e per lo scambiatore bifase a fascio tubiero è più complessa, in quanto essi non elaborano portate fisse; pertanto il confronto tra dati simulati e sperimentali risulta necessario.

La campagna di acquisizione dati è stata eseguita in un periodo di quarantanove giorni: dal 22/10/2015 al 09/12/2015. In questo lasso di tempo sono state effettuate due sessioni di monitoraggio delle temperature, intervallate da cinque giorni di pausa nei quali si è svolta una verifica del corretto funzionamento della strumentazione. Per motivazioni legate al coordinamento

Campagna di acquisizione dati

31 con le attività dello stabilimento e l’effettiva disponibilità di strumentazione per l’acquisizione dei dati, le misure di portata si sono potute svolgere solo per poche ore di tale periodo nella prima decade di dicembre. Inoltre, per le medesime ragioni, non si sono potute effettuare in contemporanea su tutti i componenti analizzati.

Il monitoraggio delle temperature è stato svolto tramite delle sonde Pt1000 poste a contatto con i tubi in ingresso e uscita dai vari componenti. Non è stato possibile usare sonde ad immersione per l’assenza di pozzetti e per l’evidente impossibilità di intervenire in maniera invasiva sulle tubazioni durante l’attività produttiva. L’uso di sonde ad immersione avrebbe sicuramente comportato valori più attendibili e non influenzati dalla conducibilità e dalla capacità termica dei tubi. Per poter installare le sonde è stato necessario rimuovere la coibentazione di tratti di tubazione in modo tale da fissare la strumentazione alla tubazione con del nastro argentato resistente alle alte temperature. Una volta posizionate le sonde, i tubi sono stati nuovamente isolati per evitare che le sonde venissero influenzate dalle temperatura dell’ambiente circostante.

Per le misurazioni di portata è stato utilizzato uno strumento ad ultrasuoni di tipo clamp-on, che consente un’istallazione all’esterno delle tubazioni. Anche in questo caso è stata necessaria la rimozione del coibente nei pezzi di tubazione interessata.

Questo approccio poco invasivo ha permesso l’acquisizione dei dati senza dover interrompere alcuna fase del processo per l’istallazione degli strumenti di misura.

4.2 Strumentazioni

Le sonde PT1000 utilizzate sono termo-resistenze largamente diffuse in ambito industriale. Il loro principio di funzionamento si basa sulla variazione del valore della propria resistenza elettrica a seguito di un incremento di temperatura. Per poter raccogliere i dati è quindi necessario un data logger che converta i segnali elettrici provenienti dalla sonda in valori numerici elaborabili dall’utente. Le schede di acquisizione al quale si sono collegate le termo-resistenze sono state sviluppate da un gruppo di lavoro interno al Politecnico di Milano. Esse necessitano di alimentazione tramite pile stilo AA e lavorano in modalità off-line salvando i dati nella memoria interna. Gli output che si presentano all’utente sono forniti in centesimi di grado a cui è sommato un delta di 30 gradi; per risalire al valore effettivamente misurato, espresso in gradi centigradi, bisogna sottrarre 3000 e poi dividere per 100 i valori registrati. La frequenza di campionamento è di un minuto e l’acquisizione parte nell’istante in cui viene fornita alimentazione. Di seguito sono riportate alcune caratteristiche tecniche di interesse relative alle Pt1000:

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- Campo di misura -10 – 100 °C

- Incertezza di misura +/- (0,15 + 0,002 ·|T|) °C

Dove T rappresenta la temperatura misurata in quel momento. Per quanto riguarda la scheda di acquisizione, essa presenta i seguenti dati:

- Campo di misura -30 – 100 °C

- Incertezza di misura +/- 0,1 °C

Per la portata si è utilizzato uno strumento ad ultrasuoni, il cui funzionamento si basa sul principio della differenza dei tempi di transito delle onde sonore: la propagazione del segnale è più lenta se in direzione opposta al fluido. La misurazione prevede l’istallazione di due sensori, che svolgono entrambi la funzione di emettitori e ricevitori, e tramite un calcolo vettoriale sono in grado di valutare la velocità di transito del fluido all’interno della tubazione. Per un corretto funzionamento è necessario fornire allo strumento alcune caratteristiche di contorno: diametro, spessore, materiale della tubazione, temperatura e natura del fluido misurato. Il valore di portata viene ricavato dallo strumento a partire dalla velocità rilevata e dalla sezione di transito dichiarata. Il dispositivo presenta una batteria interna indipendente dalla rete di alimentazione ed è fornito di logger integrato che permette una rapida consultazione dei dati tramite porta USB.

Di seguito sono riportate alcune caratteristiche tecniche di interesse:

- Campo di misura 0 – 452389 m3/h

- Errore di misura +/- 2,0% del valore misurato

- Temperature di processo -40/+150 °C (DN 15/65), -40/+170 °C (DN 50/300), -40/+80 °C (DN 100/4000)

È da notare che le potenze e le energie, derivanti dalle grandezze misurate con tali strumenti, saranno affette da errore secondo la teoria della propagazione dell’incertezza. In particolare per le potenze si è stimato un’incertezza di ±7,2% del valore calcolato; per le energie, invece, ipotizzando un errore di misura trascurabile per le masse di mosto fornite da Carlsberg®, l’incertezza stimata risulta pari al ±3,8% del valore.

Campagna di acquisizione dati

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4.3 Analisi dei dati monitorati

Al termine della campagna di acquisizione, con i dati ottenuti è stato possibile ricreare i profili delle temperature di tutti i componenti sotto analisi. Dato che la registrazione dei data logger avviene in continuo con una cadenza temporale di un minuto, per ogni giorno si ha a disposizione 1440 valori di temperatura. Gli elementi ritenuti rilevanti di tale acquisizione sono risultati essere quelli registrati mentre il componente analizzato era in funzione, e dunque sono stati isolati ed estratti. Per poter legare i dati monitorati con le effettive fasi del processo si è fatto riferimento ad un database Carlsberg® nel quale vengono registrate per tutte le cotte le sequenze di lavorazione con i rispettivi tempi di inizio e di fine processo. L’istallazione dei data logger, non essendo provvisti di orologio interno, ha previsto l’annotazione dell’orario di inizio e fine alimentazione così da poter disporre di punti fissi con i quali ricollegarsi ai database di Carlsberg®. Purtroppo la cronologia delle sequenze delle cotte precedenti a dicembre 2015, è andata cancellata durante un aggiornamento dei server; inoltre le misurazioni di portata si sono concentrate come anticipato durante la prima settimana di dicembre. Per tali motivi si è scelto di sviluppare un’analisi approfondita sul caso di studio relativo alla settimana di produzione, compresa tra il 30/11/2015 e il 06/12/2015.

Visionando i dati relativi al periodo prestabilito si sono riscontrati due principali problemi:

- il data logger al quale erano collegate le sonde installate sullo scambiatore del raffreddamento del mosto, nonostante fosse posizionato al riparo, è entrato in contatto con del liquido che ne ha danneggiato i circuiti interrompendo l’acquisizione dei dati. Perciò per questo componente sono disponibili i valori di temperatura solo per la prima giornata e per alcune ore della seconda giornata di monitoraggio dell’intera campagna di acquisizione dati;

- le temperature rilevate a cavallo tra l’ingresso e l’uscita dell’acqua nel pfaduko risultano falsate o comunque incoerenti con quello che ci si poteva aspettare. La prima anomalia si riscontra sul ΔT subito dall’acqua, che da monitoraggio rimane costante a 3 °C, quando in realtà ci si aspetterebbe che fosse molto più elevato, circa 12/17 °C. Tale problema si riscontra soprattutto nella prima fase di funzionamento, quando l’acqua proveniente dal serbatoio di accumulo si trova ad una temperatura che può variare tra gli 82 °C e gli 87 °C, dato confermato anche dalle sonde Carlsberg® posizionate all’interno del tank, a differenza

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di quella misurata dalle Pt1000 che non scende sotto i 90 °C. Si riscontra un’incongruenza anche nel profilo di temperatura dell’acqua in uscita dal pfaduko, il quale risulta incompatibile con le temperature che vengono registrate nell’accumulo ed in particolare con il profilo di temperatura del nodo superiore, che a dispetto di una temperatura di uscita dal pfaduko praticamente costante a meno di un picco di pochi minuti, subisce un primo raffreddamento per poi riscaldarsi di nuovo e infine stabilizzarsi. Tale raffreddamento del nodo superiore ed il successivo riscaldamento porta ad escludere la validità delle misurazioni effettuate sul profilo di acqua in uscita dallo scambiatore bifase a fascio tubiero. Questi problemi possono essere spiegati da un cattivo posizionamento delle sonde che, essendo state installate probabilmente troppo vicino al corpo del condensatore del vapore, potrebbero essere state influenzate da una conduzione di calore dal mantello verso le tubazioni e di conseguenza non avrebbero registrato l’effettiva temperatura dell’acqua, ma quella dei tubi.

4.4 Osservazioni

L’analisi ha portato alla luce due funzionamenti dell’impianto inaspettati. Si è infatti notato che durante la fase di preriscaldamento del mosto, in ventitré cotte su ventisette, la temperatura del nodo inferiore del serbatoio di accumulo dopo un primo periodo di raffreddamento tornava a salire, fenomeno inaspettato in quanto la temperatura all’uscita dello scambiatore risulta pressoché costante. Interrogando i database Carlsberg® sulla cronologia delle sequenze di processo è risultato che il software, che comanda l’accensione delle pompe per il transito dei fluidi nello scambiatore del preriscaldamento, fa durare questa fase alcuni minuti in più del tempo necessario per il totale trasferimento del mosto dai tini di ammostamento alla caldaia. Si verificava quindi una situazione per la quale nello scambiatore lato mosto non transitava più alcun fluido, mentre nello scambiatore lato acqua continuava a esserci una portata in circolazione che, non potendosi raffreddare, rientrava nella parte inferiore del serbatoio causando un innalzamento della temperatura. Una conferma di questo ricircolo sono anche le temperature monitorate dalle sonde installate sul preriscaldatore lato acqua in cui si nota palesemente che, nelle cotte influenzate da questo meccanismo, ad un certo punto la temperatura di uscita dallo scambiatore è identica a quella d’ingresso. Il secondo aspetto che non si è previsto ad inizio analisi riguarda la regolazione della portata d’acqua transitante attraverso il pfaduko. La valvola dovrebbe modulare la portata in modo che l’afflusso d’acqua sia tale da garantire la condensazione del vapore e contemporaneamente mantenere la temperatura di uscita dell’acqua dal pfaduko al set point di 98/99 °C così da poter ricaricare il serbatoio di accumulo. Dal monitoraggio effettuato in situ risulta invece che la valvola non svolge il proprio

Campagna di acquisizione dati

35 compito dato che la portata si assesta per tutta la durata della fase di ebollizione a valori vicini alla portata massima elaborabile e varia in un campo molto ristretto ovvero da un minimo di 46,38 kg/s ad un massimo di 48,89 kg/s. Questa minima variazione, porta ad avere valori di portata più elevati del necessario nella prima parte della condensazione, quando la parte inferiore del serbatoio si trova ancora ad una temperatura di circa 85 °C. Pertanto l’acqua subisce un ΔT minore rispetto a quello necessario per raggiungere la temperatura di 99 °C. Il risultato è che l’acqua in uscita dal pfaduko avrà una temperatura più bassa, circa di 93 °C nei primi minuti, de-stratificando in tal modo l’accumulo, ciò viene confermato anche dal profilo di temperatura del nodo superiore del tank come si può vedere in Figura 4.2:

Figura 4.2: Profilo di temperatura reale, durante ebollizione, ricostruito tramite server Carlsberg® del nodo

superiore del serbatoio di accumulo di acqua tecnica riferito alla settima cotta del 02/12/15, ventesima della settimana.

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Capitolo 5

Modello

La costruzione e l’implementazione del modello di simulazione del processo produttivo prende in considerazione quattro sotto processi ovvero: la fase di preriscaldamento mosto e scarica del serbatoio di accumulo di acqua tecnica, la fase di riscaldamento del mosto nel serbatoio di cottura fino a 100 °C, la fase di evaporazione del mosto con relativa carica del serbatoio di accumulo di acqua tecnica e la quarta e ultima fase di svuotamento del serbatoio di cottura e raffreddamento della corrente di mosto.

Il software utilizzato per lo sviluppo del modello è l’ambiente di programmazione per il calcolo numerico e l’analisi statistica MatLab. È stato scelto questo programma per la sua versatilità e la semplicità di linguaggio, anche in ottica di future integrazioni o rivisitazioni dell’elaborato. Inoltre, considerando il problema affrontato, si è ritenuta la potenzialità di calcolo di MatLab sufficiente a fornire risultati in tempi di elaborazione brevi. Inoltre questo software permette la simulazione dinamica dell’intero processo consentendo di simulare con buona approssimazione il riempimento e lo svuotamento dei serbatoi.

Il capitolo è diviso in due sezioni, la prima che tratta l’approccio modellistico matematico e la seconda che illustra come il problema è stato affrontato numericamente.