Calcolatore di efficienza del preriscaldatore d'aria

L’efficienza APH sullo schermo sembra una singola percentuale; in campo non si legge così. Se la temperatura di ingresso del gas, la temperatura di uscita del gas, la temperatura di ingresso dell’aria e la temperatura di uscita dell’aria non provengono dallo stesso istante operativo, il valore ottenuto è solo una stima ben formattata. Soprattutto se in un rotary air preheater c’è leakage, la temperatura di uscita del gas può ingannare a prima vista. Vedere sul DCS una bassa temperatura dei fumi dà una buona impressione, ma se c’è perdita dal lato seal, quel miglioramento resta solo sulla carta.

Da quale differenza di temperatura deriva la percentuale di efficienza?

Un air preheater è uno scambiatore di calore che avvicina i fumi caldi all’aria di combustione fredda. Il lato gas si raffredda, il lato aria si riscalda. Il compito della calcolatrice è leggere questa variazione di temperatura da due direzioni diverse: efficienza lato gas oppure efficienza lato aria.

Il punto comune dei due metodi è la differenza di temperatura tra gli ingressi:

$$
\Delta T_{head} = T_{g,in} - T_{a,in}
$$

Se il gas entra nell’APH a 340 °C e l’aria entra a 30 °C, la differenza di temperatura disponibile è 310 K. Qui la differenza in Kelvin e in Celsius ha la stessa grandezza; ciò che vale 340 - 30 vale anche 613,15 - 303,15. La calcolatrice mostra anche questa differenza nel risultato, perché è la base su cui poggia la percentuale di efficienza.

Per l’efficienza lato gas, il calcolo si imposta così:

$$
\eta_{gas} = \frac{T_{g,in} - T_{g,out}}{T_{g,in} - T_{a,in}} \times 100
$$

L’efficienza lato aria invece guarda alla temperatura guadagnata dall’aria:

$$
\eta_{air} = \frac{T_{a,out} - T_{a,in}}{T_{g,in} - T_{a,in}} \times 100
$$

Nonostante il denominatore sia lo stesso, i due risultati non devono per forza coincidere. Anzi, nella maggior parte dei dati reali non coincidono. Le portate di gas e aria non sono uguali, i calori specifici sono diversi, la misura del leakage non è presente in questo calcolo e la distribuzione della temperatura all’interno del condotto non è sempre uniforme. Per questo è più corretto considerare l’efficienza lato gas e quella lato aria come due letture separate.

Se in una nota ingegneristica si scrive “efficienza %80”, accanto a quella riga bisogna aggiungere anche il metodo. Lato gas o lato aria? La stessa percentuale, con un metodo diverso, può assumere un significato completamente differente.

Calcolo lato gas: quanto si sono raffreddati i fumi?

Il metodo lato gas misura quanta temperatura perde il gas di combustione che attraversa l’APH. Se l’ingresso gas è 340 °C, l’uscita gas 150 °C e l’ingresso aria 30 °C, la formula lavora così:

$$
\eta_{gas} = \frac{340 - 150}{340 - 30} \times 100
$$

Il risultato è %61,29.

Questo calcolo fornisce una prima lettura piuttosto pratica per il lato gas. Se l’APH è sporco, se le superfici del basket sono intasate, se l’effetto del sootblower si è indebolito o se sul lato cold-end è iniziata un’ostruzione, la temperatura di uscita del gas resta alta. Il gas non si raffredda abbastanza. Il numeratore nella formula si riduce e l’efficienza scende.

Tuttavia non bisogna guardare la temperatura di uscita del gas con troppo romanticismo. In un rotary APH, se l’aria passa dal lato aria al lato gas, l’uscita gas misurata può sembrare fredda. Questo può essere interpretato come se il trasferimento reale di calore fosse aumentato. Il valore basso sullo schermo DCS fa bella figura nel report; poi, quando la misura del leakage arriva sul tavolo, non resta più la stessa fiducia in quel valore.

Questa calcolatrice non applica correzioni di leakage. Non produce nemmeno una temperatura di uscita gas no-leakage. Se si dispone della temperatura grezza di uscita del gas, anche l’efficienza lato gas viene calcolata con quel dato grezzo di temperatura. Bisogna scriverlo così. Altrimenti la percentuale sembra più assertiva di quanto dovrebbe.

L’efficienza lato gas è utile soprattutto quando si monitora la stessa unità nel tempo. Ieri, la settimana scorsa, prima della manutenzione, dopo la manutenzione. Ma perché il confronto abbia senso, il punto di carico deve essere simile. Se il combustibile è cambiato, se l’excess air si è spostato o se il damper del ventilatore è rimasto in un’altra posizione, non è facile mettere due efficienze una accanto all’altra e trarre un giudizio. In Excel due righe si allineano; in esercizio no.

Facciamo un esempio più realistico: ingresso gas 346,7 °C, uscita gas 158,4 °C, ingresso aria 32,1 °C. L’efficienza lato gas è circa %59,85. Qui non c’è l’ordine degli esempi arrotondati. In campo, di solito, non c’è comunque.

Calcolo lato aria: fino a che punto si è riscaldata l’aria di combustione?

Il metodo lato aria guarda a quanto l’APH aumenta la temperatura dell’aria di combustione. Se si calcola con ingresso gas 340 °C, ingresso aria 30 °C e uscita aria 280 °C:

$$
\eta_{air} = \frac{280 - 30}{340 - 30} \times 100
$$

Il risultato è %80,65.

Con lo stesso set di temperature, il lato gas era risultato %61,29 e il lato aria %80,65. Questo da solo non è un segnale di guasto. La caduta di temperatura sul lato gas è 190 °C, mentre l’aumento di temperatura sul lato aria è 250 °C. Poiché portata e \(C_p\) non entrano nel calcolo, è sbagliato leggere queste due percentuali come un bilancio energetico.

L’efficienza lato aria parla in modo più diretto a chi è interessato alla temperatura dell’aria che va al bruciatore. Se la temperatura di uscita dell’aria è bassa, può esserci una condizione da seguire sul lato combustione in termini di combustibile, stabilità della fiamma o efficienza della caldaia. Ma anche qui entra in gioco la posizione del sensore. Nei grandi condotti dell’aria la miscelazione non è sempre omogenea. Una temperatura misurata in un solo punto potrebbe non rappresentare l’intero condotto.

La temperatura di ingresso dell’aria è influenzata dalla stagione. Aria in ingresso a 5 °C in inverno e aria in ingresso a 35 °C in estate possono dare percentuali diverse nello stesso APH. Per questo, quando si fanno confronti tra mesi, bisogna chiedersi: “l’ingresso aria è cambiato, ma l’efficienza è rimasta la stessa?”. Alcuni report saltano questa distinzione. Poi non si capisce perché i valori si muovano.

Nel calcolo lato aria, la temperatura di uscita del gas non è nella formula. Tuttavia viene comunque seguita con la coda dell’occhio. Se l’uscita aria sembra buona e anche l’uscita gas è insolitamente bassa, il sospetto di leakage non scompare dal tavolo. Il fatto che l’aria si sia riscaldata bene non significa che la storia del lato gas sia chiusa.

Dove si verificano più spesso errori negli input?

Nella calcolatrice ci sono quattro campi di temperatura: ingresso gas, uscita gas, ingresso aria, uscita aria. C’è anche la scelta del metodo. Quando si seleziona il lato gas, vengono utilizzati ingresso gas, uscita gas e ingresso aria. Quando si seleziona il lato aria, diventano principali ingresso gas, ingresso aria e uscita aria. La differenza di temperatura, in ogni caso, deriva sempre da ingresso gas e ingresso aria.

L’unità può essere °C, °F o K. Se la conversione è corretta, la percentuale non cambia. L’errore riguarda più spesso il valore stesso: per esempio scrivere 340 K invece di 340 °C. 340 K corrisponde a circa 66,85 °C. La calcolatrice non può capire l’intenzione dell’utente; prende il numero, esegue il calcolo e restituisce il risultato. Poi nel report compare una percentuale strana.

Il tempo di misura può essere fastidioso quanto l’unità. Se l’ingresso gas è la media delle 10:00, l’uscita aria è un valore istantaneo delle 10:30 e l’uscita gas è stata rilevata mentre il carico stava scendendo, il calcolo appare ordinato ma i dati non raccontano la stessa storia. A carico stabile, una media di 15-30 minuti è più adatta per la maggior parte dei controlli pratici. Intervalli più brevi a volte bastano, soprattutto in un rapido controllo di turno. Per un report prestazionale serve un po’ più di pazienza.

Va annotata anche la disposizione dei sensori. Se all’ingresso dell’APH il profilo di temperatura non è uniforme, una sola sonda può non essere sufficiente. Se all’uscita gas c’è stratification, un valore preso da un angolo non rappresenta tutta la sezione. All’uscita aria c’è un problema simile; un lato del condotto può restare più caldo e l’altro più freddo. La formula non lo sa.

A volte quello che chiamiamo errore di calcolo è in realtà un errore di impostazione della misura.

Questa percentuale non è un bilancio energetico

Qui bisogna dirlo chiaramente senza dilungarsi troppo: questa calcolatrice non usa portata né calore specifico. Ricava solo l’efficienza lato gas o lato aria dalle differenze di temperatura. Non c’è X-ratio. Non c’è correzione di leakage. Non c’è temperatura no-leakage.

Questo non significa che il calcolo non sia utile; semplicemente, il suo campo di applicazione è questo.

Se si deve calcolare il carico termico, servono portata e \(C_p\). Sul lato aria, il guadagno termico approssimativo si trova così:

$$
Q_{air} = \dot{m}_{air} \times C_{p,air} \times (T_{a,out} - T_{a,in})
$$

Anche sul lato gas si fa una lettura simile:

$$
Q_{gas} = \dot{m}_{gas} \times C_{p,gas} \times (T_{g,in} - T_{g,out})
$$

Questi due calcoli non sono la stessa cosa dell’efficienza di temperatura. L’efficienza lato aria può risultare %80 e quella lato gas %61; senza conoscere le portate non si deve saltare da qui alla conclusione che “l’energia è sparita” o che “il calcolo è sbagliato”. Non si costruisce un bilancio energetico prima di inserire in tabella la portata aria, la portata gas, i calori specifici e le informazioni di leakage.

L’assunzione di \(C_p\) del gas in una caldaia a carbone si comporta in modo diverso rispetto al gas naturale, e ancora diversamente nella biomassa. Rapporto di excess air, umidità, composizione del combustibile, carico: tutto influisce sul lato gas. Quello che fa questa calcolatrice è più limitato: fornire una rapida percentuale di efficienza APH tramite la differenza di temperatura.

Leggere il risultato in campo

Una bassa efficienza fa pensare subito allo sporcamento. Le superfici del basket possono essere cariche, il regime del sootblower può essere debole, può essere arrivato il momento del lavaggio APH, oppure può essere iniziata un’ostruzione sul lato cold-end. Sono possibilità reali. Tuttavia aprire direttamente un ordine di manutenzione appena l’efficienza scende sarebbe affrettato.

Se la temperatura di ingresso gas è arrivata bassa, cambia il denominatore. Se la portata aria è aumentata, l’uscita aria scende. Se il leakage è aumentato, l’uscita gas può sembrare stranamente buona. Se il pressure drop è aumentato, il sospetto di sporcamento si rafforza. Si può arrivare alla stessa percentuale per vie diverse; è anche qui che il calcolo APH diventa inquieto.

Anche un’efficienza alta non è, da sola, un certificato di successo. Il sensore di uscita aria potrebbe leggere alto. La sonda di ingresso gas potrebbe trovarsi in una zona calda. Il tempo di media potrebbe essere stato troppo breve. Un valore brillante sul DCS, in campo, a volte è il prodotto di una disposizione di misura debole.

Se il confronto deve essere fatto con un valore di progetto o di accettazione, si può usare anche il calcolo dello scostamento:

$$
Sapma\ (\%) = 100 \times \frac{\eta_{mevcut} - \eta_{tasarım}}{\eta_{tasarım}}
$$

Se l’efficienza attuale lato gas è %61,29 e il riferimento di progetto è %65, lo scostamento è circa -%5,71. Questa riga può entrare nel report. Se accanto non vengono indicati carico, combustibile, excess air e intervallo di misura, non sarà molto convincente.

Io, nel report, invece di una lunga spiegazione, metterei alcuni dati solidi: metodo, quattro temperature, carico, pressure drop e, se presente, una nota sul leakage. Sei righe spesso servono più di due paragrafi. Soprattutto in una riunione di manutenzione nessuno legge frasi lunghe e decorate; tutti guardano da dove è arrivato il valore.

Breve nota sull’uso dello strumento

Iniziare dalla scelta del metodo. Se si vuole l’efficienza lato gas, concentrarsi su ingresso gas, uscita gas e temperatura di ingresso aria. Nell’efficienza lato aria, il calcolo è sostenuto da ingresso gas, ingresso aria e uscita aria. La quarta temperatura resta comunque sullo schermo; è utile nell’interpretazione.

Con ingresso gas 340 °C, uscita gas 150 °C e ingresso aria 30 °C, il lato gas dà %61,29. Con gli stessi valori di ingresso gas e ingresso aria, se si inserisce uscita aria 280 °C, il lato aria dà %80,65. Questi due calcoli di prova sono sufficienti per controllare la logica della differenza di temperatura dello strumento.

Se i dati devono essere inseriti con un’unità diversa, controllare prima la selezione dell’unità. Se si confondono °F e °C, il risultato devia parecchio. Anche quando si usa Kelvin, bisogna assicurarsi che i valori assoluti siano inseriti correttamente; scrivere dati senza conversione solo perché “K sembra più tecnico” non è una buona idea.

È più onesto chiudere così: non leggere la percentuale ottenuta da sola, ma insieme ai trend dello stesso punto di carico. Se temperatura di uscita gas, temperatura di uscita aria e pressure drop dicono qualcosa nella stessa direzione, il calcolo è utile. Se uno di questi va altrove, controllare prima il lato della misura.