Scambiatori di calore ad alta efficienza a CO2

1. «Scambiatori di calore ad alta efficienza»
Livio Perrotta – Product manager
email: livio.perrotta@luvegroup.com16.03.2016 – MOSTRA CONVEGNO

2. - LU-VE Group: chi siamo
- LU-VE Group: attività di ricerca e innovazione tecnologica
- Come incrementare l’efficienza in uno scambiatore di calore
- La certificazione EUROVENT
- Il motore EC: riduzione dei consumi energetici
- WHISPERER PLUS®: riduzione dei consumi energetici e della rumorosità
- PLUG&SAVE®: riduzione dei consumi nell’impianto frigorifero
- LU-VE e i fluidi naturali: scambiatori ad alta efficienza per CO2
AGENDA

3. CHI SIAMO

4. www.luvegroup.it
The Group
Turnover aggregato €240million
9 unità produttive - 15 sedi commerciali
2015 LU-VE in Borsa

6. 150 km da Shangai

7. "ILFUTUROHAUNCUOREANTICO"
(CarloLevi)

8. HEADQUARTERS
LU-VE S.p.A.
Uboldo (VA), Italia
Scambiatori di calore per la
refrigerazione commerciale ed
industriale, il condizionamento e
le applicazioni industriali.

9. IN CHE SETTORI OPERIAMO?
Refrigerazione (Commerciali/ Industriali)
Refrigerazione commerciale e industriale, Conservazione alimenti freschi, Processi di
congelamento, Lavorazione alimentari, Stoccaggio e logistica, Stagionature,
Dispenser, Armadi refrigerati e banchi frigo, Macchine per il ghiaccio, OEM
Condizionamento
HVAC per edilizia civile, industriale e di precisione, Centri di calcolo, Ospedali,
Trasporto, Pompe di calore, Telecomunicazioni.
Energy & Power
Produzione energia, Raffreddamento per l’industria Chimica e Farmaceutica,
Automotive, Industria in generale.

10. LU-VE 10

11. GAMMA PRODOTTI

12. Evaporatori commerciali e industriali: HFC - CO2 – NH3

13. Condensatori e drycoolers: HFC - CO2 – NH3

14. O.E.M.

15. ATTIVITA’ DI RICERCA E
INNOVAZIONE TECNOLOGICA
Il principio che sta alla base della filosofia industriale del
Gruppo LU-VE è:
“la materia grigia è la nostra materia prima!”

16. COMPANY POLICY
RICERCA E INNOVAZIONE TECNOLOGICA
R&S: UNO DEI PIU’ GRANDI LABORATORI PRIVATI IN
EUROPA E IMPORTANTE COLLABORAZIONE CON IL
POLITECNICO DI MILANO E OLTRE 20 UNIVERSITA’ IN
TUTTO IL MONDO

17. LU-VE 17

18. LU-VE 18

19. Attività
R&D
Metodo C.F.D. (Computational Fluid Dynamics)
L’utilizzo dei codici C.F.D. per aumentare la comprensione dei fenomeni
fluidodinamici
Test cella calorimetrica
I risultati delle analisi C.F.D. sono stati ampiamente confermati da test sperimentali.
Tunnel di prova prestazioni alette
Per studiare l’ottimizzazione delle superfici specializzate
Tunnel di prova prestazioni tubo
Per studiare la massimizzazione del coefficiente di
Scambio interno
CO2 TEST
To study in detail the behavior of CO2 in the heat exchanger

20. R&D
LABORATORIO

21. R&D
LABORATORIO

22. COME INCREMENTARE
L’EFFICIENZA DI UNO
SCAMBIATORE DI CALORE

23. Lo scambiatore è un componente importante
nell’impianto di refrigerazione perché:
 È il collegamento tra il prodotto da conservare e il sistema. E’
l’unico elemento che «parla» con il prodotto (Evaporatore)
 E’ l'elemento che specifica qualità e consumo
 Spesso è il meno considerato

24. OTTIMIZZAZIONE ALETTA e TUBO

25. - Definizione della geometria della nuova
batteria
- Miglioramento della turbolenza
- Migliori accoppiamenti ventilatori/batterie
Pressione Velocità Temperatura
Distribuzioni Termofluidodinamiche:
R&SSviluppo attività: analisi C.F.D.

26. ONDULATA
TRADIZIONALE
TURBOLENZIATA (LU-VE)
tubo
Aletta piana
tubo
Aletta ondulata
tubo
Aletta turbolenziata
Ottimizzazione dell’aletta

27. Ottimizzazione del tubo
Tubo con rigatura interna elicoidale (by LU-VE)

29. 210,1
74,8
100,0
118,6
133,8
55,9
158,8
139,5
116,2
85,0
62,2
126,1
149,5
177,2
195,7
0
50
100
150
200
250
0,5 1 2 3 4
air flow speed, V ( m/s)
smooth fin
waved fin
LU-VE fin
Incremento del coefficiente di scambio esterno Hf
Hf/Hf2m/s
(refHf=100forsmoothfinandV=2m/s)

30. SΔTK Capacità
ei
ei
hh
hh
K



SUPERFICIE STANDARD LU-VE SUPERFICIE AD ALTA EFFICIENZA
INCREMENTO DEL COEFFICIENTE DI SCAMBIO TOTALE

31. SΔTK Capacità
ei
ei
hh
hh
K



LU-VE SUPERFICIE AD ALTA EFFICIENZA SUPERFICIE PIU’ COMPATTA!
RIDUZIONE INGOMBRI
MENO TUBI e TUBI DI MINOR DIAMETRO!
RIDOTTO VOLUME INTERNO E
RIDOTTA CARICA DI REFRIGERANTE!
RIDUZIONE PORTATA D’ARIA NECESSARIA!
RIDUZIONE DEI CONSUMI ELETTRICI DEI
VENTILATORI
E DELLA RUMOROSITA’!
RIDUZIONE DEI CONSUMI ENERGETICI NECESSARI
ALLO SBRINAMENTO!
MASSIMA EFFICIENZA

32. RIDOTTA CARICA DI REFRIGERANTE!
A che scopo?

33. ESEMPIO
- OTTIME PROPRIETA’ TERMODINAMICHE
- FLUIDO NATURALE (NESSUN IMPATTO
SULL’OZONO)
- COSTI ELEVATI DELL’IMPIANTO (ACCIAIO
INOX)
- TOSSICITA’ (REGOLAMENTAZIONE E
LIMITAZIONE DELLE CARICHE DI
REFRIGERANTE)

34. SOLUZIONE
STANDARD
DEL MERCATO
LU-VE
SOLUTION
15 mm
22 mm
Tubo in acciaio Inox
Aletta piana
12,7 mm
Tubo in acciaio Inox
Aletta turbolenziata

35. MINOR CARICA DI REFRIGERANTE!
A PARITA’ DI SUPERFICIE, CAPACITA’ e ARIA
LU-VE SOLUTION LU-VE SOLUTION
MARKET
SOLUTION
MARKET
SOLUTION
Modello LS64A 7302 - 7 LS63A 6802 - 7 Example 1 Example 2
Tecnologia tubo/aletta Stainless steel / Al Stainless steel / Al Stainless steel / Al FeZn/Fe
Geometria [mm] 55 x 55 55 x 55 50 x 50 60 x 60
Diametro del tubo [mm] 12,7 12,7 15 22
Passo alette [mm] 7,5 7,5 7 7,5
Capacità SC2 (DeltaT=8K / NH3) [kW] 31,46 25,01 23,6 24,54
Superficie esterna [m2] 139,6 139,6 138,4 199,2
Portata d’aria [m3/h] 16470 11330 11190 10650
Volume interno Litri 25 38 73
LU-VE: RIDUZIONE DELLA CARICA DI REFRIGERANTE -34% -66%
Peso unità [kg] 297 297 264 570
Capacità / Superficie esterna [W/m2] 0,225 0,179 0,171 0,123
MINOR CARICA DI REFRIGERANTE!!

36. I BENEFICI SULL’IMPIANTO
- Meno refrigerante necessario Risparmio!
- Riduzione della dimensione del separatore Risparmio!
- Riduzione dei costi di molti componenti dell’impianto Risparmio!
- Riduzione dei rischi dovuti alla tossicità dell’ammoniaca e
conformità con le normative Attenzione alla sicurezza e alla
salute delle persone!

37. LA CERTIFICAZIONE
EUROVENT

38. Nel 2000, LU-VE è stata la prima azienda
in Europa a ottenere la allora nuova
certificazione “Certify All” della Eurovent
- CAPACITA’ TERMICA
- LIVELLO DI PRESSIONE SONORA
- CONSUMO ENERGETICO

39. Dati ricavati utilizzando il medesimo compressore semiermetico
Δ efficienza ciclo = +20,8%
INFLUENZA DELLA TEMPERATURA DEL FLUIDO
TC 45 °C
T. Aria 35 °C
Tev -8 °C
T. Cella 2 °C
COP = 2,12
TC 40 °C
T. Aria 35 °C
Tev -6 °C
T. Cella 2 °C
COP = 2,56
TC 40 °C
T. Aria 35 °C
Tev -6 °C
T. Cella 2 °C
COP = 2,56
?DATI DI PROGETTO
RICHIESTI

40. Il 10 Marzo 2016, EUROVENT ha premiato LU-VE
con un certificato di merito per non aver mai avuto
discordanze tra le performance testate dal TÜV e
quelle dichiarate a catalogo.
LU-VE è l’unica azienda certificata
EUROVENT ad aver ottenuto questo
importante riconoscimento.

41. VENTILATORE EC
Riduzione dei consumi energetici

42. LA SCELTA
?

43. VENTILATORE EC – DETTAGLI COSTRUTTIVI
EC
FANS
Regolazione tramite segnale 0-10V lineare

44. Carico parziale
(INVERNO)
1/2 Potenza = 288 kW
-50% Consumo (4,16 kW)
- 3 dBA Lw
-90% Consumo (0,8 kW)
- 19 dBA Lw
Regolazione
On/OFF sui
ventilatori AC
Ventilatore
EC
Esempio: EAV9X 1241 (AC)
Pieno carico (ΔT=15K) 576 kW
Consumo 8,32 kW (AC)
Livello di potenza sonora 85 dB(A)
BENEFICI DEL MOTORE EC DURANTE LE FASI DI REGOLAZIONE

45. Evaluation of investment + running costs EAV9X 1241
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
YEARS
TOTALCOSTS€
Traditional AC fan + ON/OFF regulation
Traditional AC fan + RUS regulation
EC fans + ESB switch board

46. Perla menteche vede con chiarezzanon c'è necessitàdi scelta
(Jiddu Krishnamurti)

47. WHISPERER PLUS®
riduzione dei consumi energetici e
della rumorosità

48. Silenziatore compatto progettato e sviluppato da LU-VE.
Combinato con il motoventilatore EC, assicura una drastica riduzione del livello sonoro
fino a 6 dB(A) e una riduzione dei consumi elettrici fino al 19% in meno.

49. ANALISI E SVILUPPO DEL WHISPERER PLUS®
ANALISI NUMERICA
Per raggiungere l’obiettivo sono state analizzate
differenti configurazioni geometriche a differenti
condizioni operative.

50. RISULTATI
La riduzione di
rumorosità dipende
dalla velocità dell’aria.
La riduzione maggiore
si ottiene ad alte
velocità del
ventilatore.
-20
-15
-10
-5
0
5
10
20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
Soundpower,Airflowrate,Powerconsumption
Fan Load %
Air Flow, % LW, dB(A) Power consumption , %

51. XAV9X 7923 with EC fans
3X2 Fan 900mm
L=6889mm
Capacità
kW
rpm
Portata
d’aria
m3/h
Pel, W SL, Db(a) Diff (SL) Diff (Pel)
STANDARD (EC) 446 700 119.570 5.465 51 0 0%
EC + «Whisperer
plus»
446 650 119.570 4.340 46 -5 -26%
ESEMPIO

52. PLUG&SAVE®
riduzione dei consumi nell’impianto frigorifero

53. GAMMA DI EVAPORATORI COMMERCIALI MUNITI DI VALVOLA DI ESPANSIONE
ELETTRONICA E DRIVER DI CONTROLLO MONTATO E CABLATO A BORDO MACCHINA

54. BASIC CONCEPT
LA VALVOLA DI ESPANSIONE ELETTRONICA CON IL DRIVER DI CONTROLLO SONO INSTALLATI E
CABLATI ALL'INTERNO DELL’EVAPORATORE
LA SCHEDA ELETTRONICA E’ COMPLETAMENTE PROTETTA E SIGILLATA DA UNA RESINA INNOVATIVA
GARANTENDO MASSIMA AFFIDABILITA’ IN AMBIENTE UMIDO FINO A -40°C. QUESTO E’ POSSIBILE
GRAZIE AL PROCESSO DI “OVERMOULDING” (DALL’INDUSTRIA AUTOMOBILISTICA)
inside

55. VANTAGGI
ELEVATA EFFICIENZA ENERGETICA GRAZIE ALLA TECNOLOGIA DELLA VALVOLA DI ESPANSIONE
ELETTRONICA
MINIMIZZAZIONE DELLE ATTIVITA’ DI INSTALLAZIONE DELL’EVAPORATORE SULL’IMPIANTO
SOLUZIONE «PLUG AND PLAY»: AVVIAMENTO SEMPLICE E VELOCE

56. APPLICAZIONE: conservazione a bassa temperature (dimensioni cella
90m3, set point -20°C, prodotto: carne)
Evaporatore: 5.5kW, sbrinamento elettrico, 4 ventilator da 200W 1PH
Unità condensatrice esterna ermetica da 5.5kW
Refrigerante: R404a
Test: il Sistema passa automaticamente dalla valvola ExV alla valvola TEV ogni 3 giorni
Consumo energetico (kWh) è misurato in entrambi i casi tenendo conto della cella a pieno carico
Cold room
Valvola
Solenoide
RISPARMIO ENERGETICO – RISULTATI DEL TEST
S1
S2

57. Primo risultato (Nov 14 – Gen 15): energy saving 25%
TEV: 2300kWh vs. EEV: 1700KWh
Proiezione sull’intero anno: energy saving 15 - 20%
RISPARMIO ENERGETICO – RISULTATI DEL TEST

58. LU-VE e i fluidi naturali:
scambiatori ad alta efficienza per CO2

59. Utilizzo della CO2 in refrigerazione
Ciclo diretto
CO2 cycle
cooling room
ambient air
evaporator
gas cooler
HC or NH3
cycle
cooling room
ambient air
evaporator
condenser
CO2 sec.loop
HC or NH3
cycle
cooling room
ambient air
evaporator
condenser
CO2 cycle
heat exchangers
considered in this paper
CO2 critical pressure = 73.84 bar
critical temperature = 31.06°C
CO2 come mezzo di trasferimento del calore
POMPA DI CO2
CICLO A
CASCATA

60. CARATTERISTICHE TERMODINAMICHE DELLA CO2
La tabella mostra delle proprietà termo-fisiche importanti rispetto
all’R404A:
-elevato calore di evaporazione della CO2
-bassa viscosità della CO2
Possiamo quindi dire che la CO2 è un fluido molto performante e che a
parità di portata ha delle perdite di carico [K] minori rispetto ai fluidi
tradizionali.

61. PRESSIONE DELLA CO2 RISPETTO AI FLUIDI TRADIZIONALI
La pressione di esercizio della CO2 è molto elevata e richiede una
riprogettazione degli scambiatori.
E’ richiesto maggiore spessore della parete del tubo, in base alla pressione
massima di esercizio, generalmente 40 - 60 – 85 [bar] per gli evaporatori e
120 [bar] per i gas cooler.

62. DESIGN DEGLI SCAMBIATORI:
CHE SOLUZIONE SCEGLIERE?
Soluzione A:
Modificare il range attuale degli scambiatori
HFC in modo che possano resistere ad elevate
pressioni (spessore tubo per esempio)
Soluzione B: Utilizzare le peculiarità della CO2 per
ottenere maggiore efficienza
Geometria
compatta
Tubo di
minor
diametro
Sistema
spray

63. LU-VE ha deciso di investire nell’ambito della CO2 progettando una camera
climatica che permette di operare a temperatura costante. È l'unico impianto di
test con tali caratteristiche disponibile in Europa e dedicato agli scambiatori di
calore.
R&D – CAMERA DI TEST
KNOW HOW

64. LU-VE CO2 GAS COOLER
LU-VE HA IDEATO E PROGETTATO UNA GAMMA COMPLETA DEDICATA ALLA CO2
Your partner in

65. GAS COOLER DESIGN: ESIGENZE
 Elevata pressione di esercizio: 120 [bar]
 Alta efficienza: è richiesta una temperature
di uscita della CO2 molto bassa
 L’elevato deltaT tra CO2 in ingresso e CO2 in
uscita permettono di sfruttare al meglio il flusso
“contro corrente” aria / gas. Questo significa:
minor aria richiesta, ridotto consumo
energetico, ridotto livello sonoro.
 E’ necessario ri-designare il circuito dello
scambiatore e il numero di alimentazioni per
andare in contro alla differenza di viscosità della
CO2 rispetto ai fluidi HFC

66. Alta efficienza: è richiesta una temperature di uscita della CO2 molto bassa
L'importanza di ridurre la temperatura in uscita
della CO2 dal gas cooler è davvero importante,
soprattutto a pressione vicino al punto critico.

67. L’elevato deltaT tra CO2 in ingresso e CO2 in
uscita permettono di sfruttare al meglio il flusso
“contro corrente” aria / gas. Questo significa:
 Ridotti ingombri
 Ridotto numero di ventilatori, ridotti
consumi, soluzione più silenziosa
 Incremento del numero di ranghi per
raggiungere un elevato DeltaT
20
40
60
80
100
0 20 40 60 80 100
Heat exchanged, %
Temperature,°C
ambient air, CO2 case
HFC @ 45°C
CO2 @ 100 bar
ambient air, HFC case
GAS COOLER DESIGN: ESIGENZE
RANGHI
ARIA
CO2
“contro corrente”

68. Gas cooler: simulazione CFD
La specifica configurazione delle alette turbolenziate elimina il trasferimento di calore
conduttivo tra file adiacenti di tubi con elevata differenza di temperatura.
>35% calore parassita <4% calore parassita
INFLUENZA DEL CALORE PARASSITA
ALETTA LISCIA ALETTA TURBOLENZIATA

69. Sistemi di nebulizzazione dell’acqua
Water Spray System Dry&Spray System
- Nebulizzazione dell’acqua in direzione opposta alla
batteria
- Bassa pressione di nebulizzazione: 2,5 [bar]
- Necessaria acqua addolcita
- Massimo 200 ore/anno in condizioni spray
- Atomizzazione dell’acqua direttamente sulla batteria
- Alta pressione variabile: 3 ÷ 16 [bar]
- Necessaria acqua addolcita
- Massimo 1000 ore/anno in condizioni spray
Funzionamento prossimo al bulbo SECCO Funzionamento prossimo al bulbo UMIDO

70. BENEFICI DEL WSS e D&S PER I GAS COOLER
T
s
110°C
35°C
32°C
Condizione ipercritica
26,5°C
31°C
Water Spray
Dry & Spray
Air
Dry
Counter flow

71. Secondo la letteratura, la formazione di un velo d'olio può causare una significativa riduzione del
coefficiente di scambio fino al 70%.
Grazie ai test effettuati in laboratorio, LU-VE ha verificato e confermato come la presenza di olio
lubrificante può comportare un importante riduzione di capacità.
†Dang, Chaobin, et al. "Effect of lubricating oil on cooling heat transfer of supercritical carbon
dioxide." International journal of refrigeration 30.4 (2007): 724-731.
Flow pattern visualization of condensing CO2 with entrained oil, taken from †.
GAS COOLER: L’INFLUENZA DELL’OLIO

72. Grazie ai risultati dei test in laboratorio, LU-VE è stata in grado di calibrare il software di
calcolo per ottenere la massima affidabilità nella stima delle performance dei gas cooler
La deviazione tra il calcoli teorici e i risultati dei test di laboratorio è trascurabile.
Capacity Pressure drop
GAS COOLER: RISULTATI DEI TEST E AFFIDABILITA’ DEI CALCOLI LU-VE

73. Capacity Pressure drop
Anche nel caso del funzionamento in SUB-CRITICO, la deviazione tra il calcoli teorici e i
risultati dei test di laboratorio è trascurabile.
GAS COOLER: RISULTATI DEI TEST E AFFIDABILITA’ DEI CALCOLI LU-VE

74. EVAPORATORI PER CO2
Gamma completa di evaporatori commerciali e industriali per CO2
Your partner in

75. Anche nel caso degli evaporatori a CO2, la deviazione tra il calcoli teorici e i risultati
dei test di laboratorio è trascurabile.
I risultati sperimentali hanno permesso di prevedere con estrema precisione le
prestazioni di evaporazione
0.500
0.600
0.700
0.800
0.900
1.000
1.100
1.200
1.300
1.400
1.500
9000 14000 19000 24000
ERRPTEO/PSPER
REYNOLDS NUMBER
0.500
0.600
0.700
0.800
0.900
1.000
1.100
1.200
1.300
1.400
1.500
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80
ERRPTEO/PSPER
DTSUR/DT1
EVAPORATORI: RISULTATI DEI TEST E AFFIDABILITA’ DEI CALCOLI LU-VE

76. I risultati sono molto interessanti e confermano la capacità dei
tubi a rigatura elicoidale di migliorare le prestazioni anche negli
evaporatori a CO2.
Gli ultimi studi hanno coinvolto gli scambiatori di calore dotati di tubi rigati.
EVAPORATORI CO2: RISULTATI DEI TEST CON IL TUBO RIGATO

77. Esperimenti hanno rivelato che l'aumento della capacità dell’evaporatore è
superiore a 7% in taluni casi, pertanto il tubo rigato sembra essere un modo
promettente per migliorare le prestazioni dell’evaporatore a CO2.
Il tubo rigato contribuisce inoltre a ridurre l'effetto dell'olio.
96
98
100
102
104
106
108
Smooth tube Finned tube
Capacity,%

78. Lo sbrinamento a glicole caldo è un
innovativo sistema che utilizza il calore
recuperato a seguito della compressione.
Questo sistema, utilizzato soprattutto in
sistemi a cascata, garantisce un elevata
efficienza di sbrinamento, ma soprattutto
utilizza ENERGIA quasi GRATIS!
SBRINAMENTO A GLICOLE CALDO

79. Tutti parlano di CO2.
I vantaggi di LU-VE?
• Scambiatori ad elevate prestazioni ed
elevate efficienza
• Affidabilità delle prestazioni e know how
(laboratorio di test per la CO2)
• Esperienza nel transcritico: installazioni in
funzionamento da più di 10 anni
Your partner in
COOP WETTINGEN - Zurig - Switzerland
Gas cooler CO2.SHVDT 696 CO2
(2004)