Recuperare per risparmiare.
Breve excursus su possibilità e tecnologie di recupero energetico.
Introduzione
Uno dei più interessanti criteri di razionalizzazione dell’impiego delle risorse energetiche risiede nei recuperi termici, ovvero nello sfruttamento del contenuto di calore/freddo di fluidi che, per diverse ragioni, vengono espulsi dall’ambiente occupato all’esterno.
In generale la necessità di espellere di liquidi o gas deriva dalla necessità di eliminare elementi contaminanti o indesiderati, quali aria viziata, umidità, polveri, fumi, gas combusti… E’ il caso dei sistemi di ricambio forzato dell’aria ambiente, di captazione di atmosfere inquinate, di espulsione di prodotti della combustione, ma anche di scarico di acque calde di processo o sanitarie.
I fluidi espulsi, nella gran parte dei casi acqua o aria, vengono reintegrati da quantità corrispondenti prelevate dall’ambiente esterno, a condizioni termiche diverse da quelle di utilizzo. Il ripristino delle volute condizioni termiche richiede quindi la somministrazione di calore (o freddo), che finisce inevitabilmente per pesare sul bilancio energetico del sistema, spesso in misura significativa.
I casi più comuni sono legati al ricambio di aria ambiente, viziata da affollamento o da lavorazioni particolari, ma anche di acque da rinnovare per ragioni di ordine sanitario o tecnologico. Si può quindi notare che l’ambito di applicazione si estende dal settore civile a quello produttivo, evidenziando situazioni di potenziale criticità energetica che interessano una molteplicità di fabbricati e di attività.
La citata criticità è tanto maggiore quanto più il livello termico del fluido espulso differisce da quello della fonte di ripristino; per esempio, l’espulsione di aria viziata da un ambiente, comunque inevitabile per ragioni di salubrità, rappresenta un onere energetico ben maggiore in presenza di condizioni climatiche rigide, anziché miti; è infatti evidente che l’aria espulsa dovrà essere rimpiazzata inevitabilmente e ultimamente con aria esterna, e che la stessa introdurrà un corrispondente fabbisogno termico.
Modalità di recupero energetico
Il criterio di razionalizzazione energetica più immediato e ragionevole consiste nell’”incrociare” le portate espulsa e di rinnovo, in modo da consentire il trasferimento di una quota dell’energia dalla prima alla seconda, tramite l’interposizione di una serie di superfici che consentano lo scambio, prevenendo però il contatto diretto e la conseguente contaminazione tra le correnti.
Il recupero descritto può avvenire tanto in regime invernale (recupero di calore), che estivo (recupero di freddo), inclusa la possibilità di una quota significativa di recupero latente, ovvero di umidità (che, all’interno del recuperatore, migra dall’espulsione al rinnovo in inverno, viceversa in estate).
Non manca una condizione intermedia di potenziale criticità: nelle mezze stagioni, come noto, può infatti accadere che un recupero da un ambiente in sovratemperatura risulti nocivo, pregiudicando la possibilità di un raffreddamento gratuito con aria esterna fresca (free cooling); in questi casi l’inibizione del recupero – per esempio per by-pass del recuperatore – è comunque risolutiva.
Criteri di ottimizzazione
Opportuni accorgimenti - quali l’organizzazione dei flussi in controcorrente (fig. 1) anziché in equicorrente, l’adozione di superfici estese ed opportunamente corrugate, l’induzione di un’adeguata turbolenza, ecc. – consentono di spingere le efficienze di recupero a percentuali molto elevate, in particolare nello scambio termico tra liquidi. E’ però evidente che l’ottenimento di ulteriori incrementi di efficienza diviene via via più oneroso, perdendo progressivamente interesse tecnico-economico.
La composizione di un sistema di recupero termico statico – così come descritto – con un recupero attivo – basato cioè su un ciclo termodinamico inverso, ovvero su una pompa di calore – consente di spingere il recupero termico ben oltre (fig. 2), fino a restituire al fluido di rinnovo la totalità del contenuto termico posseduto dalla corrente espulsa rispetto a quella esterna: questo provvedimento risulta in generale di notevole interesse energetico, finchè gli scarti di temperatura tra i fluidi sono relativamente contenuti.
Va poi notato che il fluido di rinnovo, oltre al contenuto termico sottratto a quello espulso, si appropria anche di quello legato alla eventuale condensazione di umidità, oltre che della quota di energia elettrica introdotta nel sistema per l’attivazione della pompa di calore. Simili soluzioni vengono da anni impiegate con successo nella ventilazione civile ed in particolare in ambienti umidi, quali gli impianti natatori.
Casi significativi
Un caso particolare è costituito dal recupero di calore da prodotti della combustione, che, anche a valle di generatori di calore efficienti, possono presentare contenuti termici residui rilevanti; qusti possono essere sfruttabili tramite sistemi di recupero, che, raffreddando i fumi al di sotto del punto di rugiada, possono aggredirne il patrimonio energetico sensibile e latente. In questi casi l’aggressività che i fumi assumono in regime umido costringe in genere ad esecuzioni delle superfici di scambio chimicamente resistenti ed alla neutralizzazione delle condense; la formazione di condensa diverrà allora un evento non più da evitare, bensì da cercare con la massima determinazione, in primo luogo abbassando per quanto possibile le temperature del fluido in ingresso al recuperatore.
Altro caso particolare è dato da particolari processi in cui un fluido deve raggiungere, anche per tempi circoscritti, livelli di temperatura ridotti (per esempio per favorire la condensazione di vapori, come negli essiccatori), o elevati (per esempio per consentire processi di disinfezione, piuttosto che di termodemolizione): in questi casi un sensibile incremento di efficienza può essere raggiunto con l’introduzione di cicli rigenerativi (fig. 3), che operano recuperi termici interni al sistema.
Difficoltà n° 1: la distanza
Le considerazioni ed esemplificazioni svolte indicano una molteplicità di situazioni in cui è possibile incrementare significativamente l’efficienza energetica dei sistemi, operando opportuni scambi termici tra correnti fluide. La realtà è però ricca di insidie e difficoltà, che spesso rendono i processi di recupero complessi, quando non anche antieconomici.
Una prima difficoltà è rappresentata dalla distanza che spesso separa le sezioni di transito dei fluidi tra cui attuare lo scambio termico. In questi casi l’”incrocio” tra le correnti fluide corrispondenti può avvenire comunque per mezzo di un fluido intermedio (fig. 4) - generalmente un liquido in circolazione forzata - non senza una certa caduta di efficienza.
In questi casi il recupero attivo diviene particolarmente difficoltoso, se non impraticabile, specie se dislivelli consistenti possono pregiudicare il corretto ritorno del lubrificante lungo le linee del fluido frigorigeno, mettendo a rischio il corretto funzionamento delle unità di compressione.
Difficoltà n° 2: la presenza di impurità
Un aspetto cruciale che spesso complica il recupero energetico è legato alla presenza di impurità nel fluido espulso, quali polveri, particolati o fluidi di processo. Queste sostanze convogliate dal flusso espulso possono aggredire le superfici di scambio (corrosione, erosione) o depositarsi su di esse, compromettendo il recupero termico, quando non ostruendo il passaggio.
E’ il caso di cappe di aspirazione in fase gassosa da processi di combustione, cottura, saldatura, taglio o abrasione, piuttosto che di scarico di acque luride da processi di tintoria o lavaggio: il recupero può essere salvaguardato nel primo caso da separazione inerziale (ciclonica), da filtrazione (statica o elettrostatica) o da pulizia pneumatica impulsiva, come avviene p. es. a valle di caldaie a biomassa o di lavorazioni del legno; nel secondo caso le misure adottate variano dall’impiego di superfici particolarmente lisce (per prevenire l’aggrappaggio delle impurità) o mantenute in moto rotatorio (con lo stesso scopo, come nel caso di acque da bagni di tintura), o, infine, con serpentini periodicamente lavati da flussi di corpuscoli abrasivi convogliati da circolazione fluida forzata in circuito chiuso (come avviene per recuperi da scarichi di docce civili).
Difficoltà n° 3: la discontinuità di processo
Spesso però le difficoltà sono legate alla discontinuità o irregolarità del processo da cui recuperare il contenuto termico; si pensi agli scarichi da docce appena citati, piuttosto che a trattamenti termici in cicli “batch” (discontinui), che prevedono una portata di scarico molto variabile, se non a carattere impulsivo.
In questi casi il sovradimensionamento delle superfici di scambio può essere evitato solo per mezzo di accumuli del liquido termovettore, che permettano di distribuire nel tempo il processo di recupero termico: è comunque chiaro che sia il sovradimensionamento delle superfici di scambio, che la polmonazione delle portate in gioco comportano accorgimenti di impatto economico tutt’altro che trascurabile.
La “regola d’oro”
Il grado di sofisticazione e di prestazione dei sistemi di recupero deve comunque essere sempre giustificato dall’entità delle energie in gioco e, in definitiva, dal risparmio assicurato. In questo senso risulta sempre premiante rivolgere la propria attenzione verso situazioni caratterizzate da uno intensivo e flussi energetici rilevanti.
A titolo esemplificativo, è evidente che le redditività economiche che possono derivare da recuperi termici applicati a degenze ospedaliere (esercizio continuo) di grandi dimensioni, sono fatalmente maggiori di quelle provenienti da analoghi recuperi operati su piccole sale circoscrizionali (utilizzo tipicamente saltuario); analogamente interventi eseguiti su processi industriali in ciclo continuo (8.000 ore/anno) presentano interesse inevitabilmente maggiore che se operati su processi stagionali e circoscritti ad un solo turno giornaliero.
Conclusioni
La breve carrellata svolta sui processi di recupero, volutamente stringata ed inevitabilmente poco esaustiva, ha lo scopo di illustrare la molteplicità di circostanze e la varietà di soluzioni tecnologiche messe a disposizione dal mercato per operare forme diverse di recupero energetico, da cui possono derivare considerevoli benefici ambientali ed economici.
L’esperienza insegna poi che ogni situazione costituisce un caso a sé, per cui è spesso possibile individuare componenti e soluzioni impiantistiche che permettano di raggiungere target energetico, economico ed ambientale di tutto rilievo, suscettibile di ottimizzazioni ed affinamenti di notevole importanza.
