Processi con chiller ad assorbimento

Dallo studio dei sistemi presi in considerazione fino a questo punto, si nota che, durante la fase di compressione multistadio del gas naturale, c’è un’importante quantità di energia termica che viene ceduta all’ambiente tramite scambiatori di calore ad aria per l’inter-refrigerazione. Tale calore è disponibile ad una temperatura compresa tra 160°C e 180°C (in base alla pressione massima del ciclo e al rapporto di compressione del singolo compressore) e può essere in parte recuperato e utilizzato per l’alimentazione di una macchina frigorifera (chiller) ad

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assorbimento. L’effetto refrigerante del chiller può essere finalizzato al preraffreddamento del gas prima dell’ingresso in coldbox o al preraffreddamento del gas in ingresso ai compressori.

Le macchine frigorifere ad assorbimento [34-35] si differenziano da quelle a compressione per la forma di energia necessaria per l’alimentazione. Se queste ultime necessitano in ingresso di energia meccanica, una forma di energia pregiata prodotta nella maggior parte dei casi tramite motori elettrici, le macchine ad assorbimento sono pensate per operare alimentate prevalentemente da energia termica, almeno a 90°C per le macchine a singolo effetto. Questo tipo di macchina risulta sicuramente vantaggioso nel caso si abbia a disposizione calore di recupero, che altrimenti verrebbe disperso nell’ambiente, o impianti di cogenerazione. L’energia termica richiesta dal chiller dipende dalla tecnologia e dalla coppia di fluidi impiegati nel processo e può essere fornita a temperature moderate.

Si richiama brevemente il funzionamento generale di una macchina frigorifera ad assorbimento, schematizzata in figura 3.17.

FIGURA 3.17:SCHEMA DI UNA MACCHINA FRIGORIFERA AD ASSORBIMENTO [31]

I fluidi che operano all’interno della macchina sono due: il fluido frigogeno (il soluto) con tensione di vapore più alta, e il solvente, a tensione di vapore più bassa, in grado di generare una soluzione liquida omogenea nelle condizioni operative della macchina.

Il generatore è alimentato dalla miscela liquida soluto-solvente ricca in soluto (7); la potenza termica Q0 è fornita al generatore per favorire la liberazione del componente più volatile, ovvero il soluto, dalla soluzione; il flusso 1 è costituito dunque da soluto puro in forma vapore, che nel condensatore cede calore all’ambiente; successivamente, viene laminato a bassa pressione nella valvola (2-3) e inviato all’evaporatore, dove assorbe la potenza frigorifera Qb, effetto utile della

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macchina. Il flusso 4 si introduce nell’assorbitore, insieme alla soluzione povera di soluto 10 proveniente dal generatore, precedentemente laminata a bassa pressione; nell’assorbitore, il fluido frigogeno si dissolve nel solvente con un processo esotermico che deve essere mantenuto asportando calore, generalmente disperso nell’ambiente; la soluzione formatasi, ricca in soluto, viene inviata tramite una pompa al generatore; per ottenere un risparmio in termini di energia termica da fornire all’impianto, uno scambiatore rigenerativo permette che la miscela povera, di ritorno dal generatore, ceda calore alla miscela più fredda, proveniente dall’assorbitore. L’impiego di una pompa consente di ridurre notevolmente la potenza meccanica richiesta dall’impianto rispetto ai sistemi a compressione. La maggior parte dell’energia di alimentazione è, dunque, di tipo termico. Dallo schema si nota come la linea tratteggiata suddivida i componenti che lavorano ad alta e bassa pressione: al valore delle due distinte pressioni sono direttamente collegate le temperature di condensazione ed evaporazione del fluido frigogeno. In particolare, la pressione all’evaporatore e all’assorbitore è determinata dalla temperatura a cui è richiesta la produzione del freddo.

Nelle macchine ad assorbimento [34] le coppie di fluidi più utilizzati sono:

• Ammoniaca (soluto)/ Acqua (solvente): è la coppia di fluidi storicamente più utilizzata. Richiede un complesso schema d’impianto con colonna di distillazione, denominata “rettificatore”, per la separazione del vapore di ammoniaca dal vapor d’acqua, ma consente di raggiungere temperature di evaporazione di -60°C.

• Acqua (soluto)/ Bromuro di litio (solvente): introdotta più recentemente, questa coppia di fluidi è largamente usata nelle applicazioni di condizionamento dell’aria. Le macchine ad H2O/LiBr sono più semplici ed efficienti di quelle a NH4/ H2O, poiché il bromuro di litio è solido in condizioni ambiente e, miscelato con acqua, dà una soluzione liquida omogenea. La non volatilità del solvente fa si che nel generatore si liberi solamente vapore d’acqua, rendendo superfluo l’impiego di un rettificatore. Lo svantaggio di utilizzare acqua come fluido frigogeno è, tuttavia, l’impossibilità di scendere sotto la temperatura di 0°C.

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Processo con chiller pre-coldbox

Il primo schema con accoppiamento di chiller è stato ottenuto con inserimento del chiller a monte della coldbox. L configurazione dello schema è stata realizzata come riportato in figura 3.18.

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FIGURA 3.18:PROCESSO CON CHILLER PRE-COLDBOX

La performance della macchina frigorifera è stata considerata fissando il valore del COP, coefficiente di prestazione definito come:

𝐶𝑂𝑃 =𝑄𝑖𝑛 𝑄_𝑐

dove 𝑄𝑖𝑛 è il calore recuperato dai compressori e fornito al generatore del chiller, e 𝑄𝑐 è l’effetto utile del chiller, ovvero la potenza termica assorbita a bassa temperatura.

Facendo riferimento allo schema di processo, tramite gli scambiatori E-1, E-2 e E-3 l’acqua a 83°C (di ritorno dal generatore del chiller) viene portata a 90°C, assorbendo calore dal gas in uscita dai compressori. La somma delle potenze termiche prelevate costituisce il calore 𝑄𝑖𝑛 fornito al generatore del chiller. Il calore recuperato viene ceduto dal flusso A-11 al generatore del chiller dove l’acqua è riportata a 83°C. Il chiller, quindi, asporta una potenza termica pari a 𝑄_𝑐 dal flusso d’acqua A-14, che passa da 15°C a 7°C (A-12). Il flusso A-12 è introdotto nello scambiatore di calore E-4 dove assorbe calore dal gas naturale, in entrata a 45°C (10) e in uscita a 12°C (11), nelle condizioni ottimizzate.

L’ottimizzazione del processo è stata effettuata con le stesse modalità descritte in precedenza, con l’aggiunta tra le variabili delle portate dei flussi d’acqua. Il consumo di energia specifico, impostato come funzione obbiettivo, è calcolato senza tenere conto del lavoro delle pompe, ritenuto trascurabile rispetto al lavoro dei compressori.

I parametri principali del processo con chiller prima della coldbox ottimizzato sono riportati in tabella 3.10.

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Processo con chiller pre-coldbox

Potenza compressore [kW] 143,8 Compressore C-1 Rapporto compressione [pout/pin] 4,0

Differenza di temperatura [°C] 134 Potenza compressore [kW] 144,9 Compressore C-2 Rapporto compressione [pout/pin] 3,6

Differenza di temperatura [°C] 135 Potenza compressore [kW] 134,3 Compressore C-3 Rapporto compressione [pout/pin] 3,4

Differenza di temperatura [°C] 132

Potenza espansore [kW] 66,2

Espansore T-1 Rapporto espansione [pin/pout] 45 Differenza di temperatura [°C] 127 Air-cooler AC-1 Calore asportato [kW] 95,0 Air-cooler AC-2 Calore asportato [kW] 131,2 Air-cooler AC-3 Calore asportato [kW] 137,2 Chiller ad

assorbimento

Calore recuperato E-1 [kW] 18,5 Calore recuperato E-2 [kW] 20,3 Calore recuperato E-3 [kW] 18,7 Effetto refrigerante [kW] 40,3

Portata fluente [kg/h] 1664

Rapporto compressione totale [pout/pin] 46,6 Pressione massima [bar] 69,9 Potenza ventilazione [kW] 5,5 Potenza elettrica richiesta [kW] 362,2 Consumo energetico specifico [kWh/kg] 0,87

TABELLA 3.10:RISULTATI PROCESSO CON CHILLER PRE-COLDBOX

Lo schema realizzato presenta un consumo specifico di 0,87 kWh/ kg GNL, con pressione massima del ciclo pari a 70 bar, valore impostato come limite superiore nell’ottimizzatore. Per mezzo del chiller il gas viene raffreddato a 12°C prima dell’ingresso in coldbox, avendo fissato la temperatura dell’acqua in uscita dallo shell&tube a 7°C.

In tabella 3.11 si riportano i principali dati relativi allo scambiatore multi-flusso.

Scambiatore Multiflusso (Coldbox)

Calore scambiato [kJ/h] 3,6E+04 Minimum Approach [°C] 5,0

LMTD 11,06

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In figura 3.19 si riporta l’andamento delle composite curves di scambio termico all’interno dello scambiatore multi-flusso e i principali dati ad esso relativi.

FIGURA 3.19:DIAGRAMMA DI SCAMBIO TERMICO DEL PROCESSO CON CHILLER PRE-COLDBOX

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Processo con chiller pre-compressori

Come anticipato, il raffreddamento del gas prima dell’entrata in coldbox non è il solo tipo di accoppiamento realizzabile tra chiller e processo di liquefazione. Per migliorare l’efficienza del sistema è possibile, infatti, utilizzare il chiller per raffreddare il gas all’ingresso dei compressori. Lo schema realizzato su Visio per tale accoppiamento tra processo e chiller è riportato in figura 3.20.

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Facendo riferimento allo schema di processo, tramite gli scambiatori E-1, E-2 e E-3 l’acqua a 83°C (di ritorno dal generatore del chiller) viene portata a 90°C, assorbendo calore dal gas in uscita dai compressori. La somma delle potenze termiche prelevate costituisce il calore 𝑄_𝑖𝑛 fornito al generatore del chiller. Il calore recuperato viene ceduto dal flusso A-11 al generatore del chiller dove l’acqua è riportata a 83°C (A-1).

Nello schema si nota che la portata d’acqua a 7°C prodotta dal chiller viene suddivisa in tre flussi (A-15, A-17, A-20), ognuno dei quali è introdotto in uno scambiatore shell&tube posto a monte del singolo stadio di compressione (E-4, E-5, E-6), in cui avviene il preraffreddamento del gas. Il compressore, trovandosi a lavorare con un fluido a minore temperatura (nel caso ottimizzato il gas raggiunge i 12°C) e, quindi, una maggiore densità, richiede minore potenza in ingresso.

I parametri principali del processo con chiller prima dei compressori ottimizzato sono riportati in tabella 3.12.

Processo con chiller pre-compressori

Potenza compressore [kW] 158,8 Compressore C-1 Rapporto compressione [pout/pin] 3,9

Differenza di temperatura [°C] 133 Potenza compressore [kW] 144,8 Compressore C-2 Rapporto compressione [pout/pin] 3,6

Differenza di temperatura [°C] 124 Potenza compressore [kW] 134,7 Compressore C-3 Rapporto compressione [pout/pin] 3,4

Differenza di temperatura [°C] 120

Potenza espansore [kW] 82,2

Espansore T-1 Rapporto espansione [pin/pout] 42 Differenza di temperatura [°C] 143 Air-cooler AC-1 Calore asportato [kW] 73,6 Air-cooler AC-2 Calore asportato [kW] 63,8 Air-cooler AC-3 Calore asportato [kW] 68,2 Chiller ad

assorbimento

Calore recuperato E-1 [kW] 50,1 Calore recuperato E-2 [kW] 50,1 Calore recuperato E-3 [kW] 50,1 Effetto refrigerante [kW] 105,3

Portata fluente [kg/h] 1812

Rapporto compressione totale [pout/pin] 43,3 Pressione massima [bar] 64,9 Potenza ventilazione [kW] 3,1 Potenza elettrica richiesta [kW] 360,3 Consumo energetico specifico [kWh/kg] 0,87

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In tabella 3.13 si riportano i principali dati relativi allo scambiatore multi-flusso:

Scambiatore Multiflusso (Coldbox)

Calore scambiato [kJ/h] 3,6E+04 Minimum Approach [°C] 5,0

LMTD 11,06

TABELLA 3.13:DATI SCAMBIATORE MULTI-FLUSSO PROCESSO CON CHILLER PRE-COMPRESSORI

L’andamento delle composite curves di scambio termico all’interno dello scambiatore multi- flusso è riportato in figura 3.21.

FIGURA 3.21:DIAGRAMMA DI SCAMBIO TERMICO DEL PROCESSO CON CHILLER PRE-COMPRESSORI

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Processo con chiller pre- coldbox & compressori

Constatati i benefici ottenibili grazie ai due diversi impieghi del chiller, si passa all’unione dei due schemi precedenti per verificare se i due effetti positivi dovuti al raffreddamento pre- coldbox e pre-compressori possono essere sommati tra loro. Lo schema ottenuto è riportato in figura 3.22.

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FIGURA 3.22:PROCESSO CON CHILLER PRE-COLDBOX & COMPRESSORI

Facendo riferimento allo schema di processo, tramite gli scambiatori E-1, E-2 e E-3 l’acqua a 83°C (di ritorno dal generatore del chiller) viene portata a 90°C, assorbendo calore dal gas in uscita dai compressori. La somma delle potenze termiche prelevate costituisce il calore 𝑄𝑖𝑛 fornito al generatore del chiller. Il calore recuperato viene ceduto dal flusso A-11 al generatore del chiller dove l’acqua è riportata a 83°C. Nello schema si nota che la portata d’acqua a 7°C prodotta dal chiller viene suddivisa in tre flussi (A-15, A-17, A-20), ognuno dei quali è introdotto in uno scambiatore shell&tube posto a monte del singolo stadio di compressione (E-4, E-5) o a monte della coldbox (E-6), in cui il gas viene raffreddato.

Si fa notare che a monte del compressore C-1 non si effettua preraffreddamento, poiché il gas di ritorno (flusso 1) si trova già ad una temperatura di circa 11°C, non ulteriormente riducibile con il tipo di chiller scelto. Anche in quest’ultimo caso, il calore disponibile nel gas in uscita dai compressori è sufficiente a spingere il raffreddamento fino al limite inferiore ottenibile. Il consumo specifico raggiunge, in questo caso, il valore minimo di 0,80 kWh/kg GNL.

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Processo con chiller pre-coldbox&compressori

Potenza compressore [kW] 145,2 Compressore C-1 Rapporto compressione [pout/pin] 3,9

Differenza di temperatura [°C] 133 Potenza compressore [kW] 133,0 Compressore C-2 Rapporto compressione [pout/pin] 3,6

Differenza di temperatura [°C] 124 Potenza compressore [kW] 120,4 Compressore C-3 Rapporto compressione [pout/pin] 3,3

Differenza di temperatura [°C] 118

Potenza espansore [kW] 69,0

Espansore T-1 Rapporto espansione [pin/pout] 43 Differenza di temperatura [°C] 142 Air-cooler AC-1 Calore asportato [kW] 59,7 Air-cooler AC-2 Calore asportato [kW] 50,9 Air-cooler AC-3 Calore asportato [kW] 53,8 Chiller ad

assorbimento

Calore recuperato E-1 [kW] 52,7 Calore recuperato E-2 [kW] 54,2 Calore recuperato E-3 [kW] 51,8 Effetto refrigerante [kW] 111,2

Portata fluente [kg/h] 1657

Rapporto compressione totale [pout/pin] 44,3 Pressione massima [bar] 66,5 Potenza ventilazione [kW] 2,5 Potenza elettrica richiesta [kW] 332,1 Consumo energetico specifico [kWh/kg] 0,80

TABELLA 3.14:PROCESSO CON CHILLER PRE-COLDBOX & COMPRESSORI

I dati principali relativi allo scambiatore multi-flusso sono riportati in tabella 3.15.

Scambiatore Multiflusso (Coldbox) Calore scambiato [kJ/h] 4,1E+05 Minimum Approach [°C] 5,1

LMTD 11,25

TABELLA 3.15:DATI SCAMBIATORE MULTI-FLUSSO PROCESSO CON CHILLER PRE-COLDBOX&COMPRESSORI

In figura 3.23 è riportato l’andamento delle composite curves di scambio termico all’interno dello scambiatore multi-flusso.

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FIGURA 3.23:DIAGRAMMA DI SCAMBIO TERMICO DEL PROCESSO CON CHILLER PRE-COLDBOX & COMPRESSORI