Servizi energetici aziendali

Università della Calabria - Dipartimento di Ing. Meccanica, energetica e gestionale

Appunti del corso di Servizi energetici aziendali.

Teoria ed esercitazioni: Prof.ssa Teresa Castiglione Piofrancesco Barone.

Software: Dott. Arch. Marco Destefani.

Ingegneria Energetica.

A.A. 2021/2022.

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2 Marzo 2022 (prof.ssa Castiglione)

Mercoledì 2 marzo 2022 08:30.

Prof.ssa Teresa Castiglione.

Email: teresa.castiglione@unical.it.

Telefono: 0984/494162.

Ufficio: Cubo 44C - 5° piano.

Nel corso di servizi energetici aziendali analizzeremo e descriveremo gli impianti che sono a servizio di uno stabilimento industriale e che non entrano direttamente nel processo produttivo. Sono quindi degli impianti generali che si trovano in qualsiasi stabilimento.

Ci concentreremo sulla distribuzione di aria compressa, acqua calda e vapore.

Per ogni suddetto fluido termovettore analizzeremo gli impianti di produzione e di distribuzione.

Affronteremo questi argomenti sia dal punto di vista teorico che dal punto di vista pratico tramite delle esercitazioni. Faremo anche delle considerazioni di carattere economico, da cui non possiamo prescindere.

Troveremo perciò il giusto compromesso tra l’analisi tecnica e l’analisi di ottimizzazione economica.

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Piping

Analizziamo quelli che sono i componenti di un impianto di piping:

In una rete di piping troviamo diversi componenti, sia di misura, che di controllo, che di deviazione del flusso.

Abbiamo una normativa che regola la simbologia da utilizzare per rappresentare in modo schematico una rete di piping.

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Piping - tubi

Facciamo adesso riferimento ai tubi. Anche su di essi vige una normativa. Essi seguono una serie di colori identificativi. In certe circostanze, oltre a dare dei colori distintivi di base che ci consentono di capire che fluido vi è all’interno, è importante fornire anche delle indicazioni di codice lì dove ci sono delle prescrizioni particolari.

• Colori distintivi di base: individuano le tubazioni convoglianti fluidi di cui è sufficiente conoscere la natura.
• Indicazioni di codice, colori di sicurezza e dati indicanti la natura del fluido: sono i colori di sicurezza.

È importante sia per ragioni di sicurezza, sia perché bisogna facilmente individuare il fluido termovettore che passa all’interno dei tubi.

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Possiamo avere indicazioni più o meno esplicite riguardo il fluido termovettore e il suo verso di percorrenza all’interno del tubo.

All’interno di questa normativa abbiamo tutte le informazioni che ci consentono di individuare ciò che passa all’interno delle condotte. Sono normative standardizzate a livello internazionale.

Piping - tubi/caratteristiche dei tubi

Quando parliamo di tubi, abbiamo diverse caratteristiche grazie alle quali riusciamo a contraddistinguerli tra loro.

In particolare, possiamo classificare i tubi in base al diametro nominale (DN) e alla pressione nominale (PN), il materiale del tubo e la tipologia costruttiva.

Ovviamente, anche in questo caso esistono delle apposite normative. Infatti, i componenti devono essere tra loro intercambiabili, quindi le dimensioni dei tubi devono essere unificate, dato che dovremo inserire delle valvole e dei raccordi tra un tubo e l’altro.

È importante avere una normativa sulle dimensioni dei tubi proprio perché dobbiamo avere la possibilità di poter assemblare più pezzi, così da poter acquistare i componenti da varie aziende senza porsi il problema delle dimensioni stesse.

Anche il materiale dei tubi è importante perché i tubi si troveranno ad operare in condizioni ambientali anche piuttosto pesanti, in base al fatto di avere dei tubi interrati o meno, oppure in base agli ambienti corrosivi ecc.

Infine, per tipologia costruttiva si intende su come siano costruiti questi tubi e come vengano prodotti. Vedremo infatti che esistono dei tubi semplicemente realizzati con delle lamiere che vengono poi chiuse e saldate, per cui il cordone di saldatura costituisce di per sé già un elemento di debolezza del tubo, oppure alcuni tubi vengono ottenuti per trafilatura, e quindi si parla di pezzi unici caratterizzati da maggiore resistenza ai carichi di punta e alla corrosione, in quanto non si creano dei punti di discontinuità. Anche in quest’ultimo caso si dovrà tenere conto dell’ambiente di lavoro del tubo.

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Diametro nominale (DN)

• Indicazione convenzionale che serve per individuare i diversi elementi accoppiabili di una tubazione.

Indicando ad esempio il tubo DN 125, non intenderemo che il diametro effettivo del tubo è pari a 125, bensì ci riferiremo a un’indicazione da leggere in una tabella.

La serie dei diametri nominali unificati è in Italia la seguente (tabella UNI 1282-67):

1-1.5-2-2.5-3-4-5-6-8-10-15-20-25-32-40-50-65-80-100-125-150-175-200-250-300-350-400-450-500-600-700-800-900-1000-1200-1400-1600-1800-2000.

Osserviamo che il tubo dipende anche dal materiale, quindi viene indicata anche la massa del tubo per unità di lunghezza e il modulo di resistenza. In relazione ai vari materiali con cui sono realizzati i tubi, avremo una certa normativa che stabilisce i vari diametri nominali.

N.B. Se nella colonna DN troviamo uno spazio vuoto significa, ci riferiremo alla prima etichetta utile successiva.

Pressione nominale (PN)

• La PN è una indicazione convenzionale espressa in bar che caratterizza la capacità di resistenza degli elementi che costituiscono una tubazione.

Le pressioni nominali unificate e di più frequente impiego sono le seguenti (tabella UNI 1283- 67): 1-2.5-6-10-16-25-40-64-100-160-250-320-400-640-1000-1600-2500.

La pressione nominale indica la pressione massima a cui possiamo sottoporre i tubi, ma nella pratica non li troveremo mai ad operare in queste condizioni di pressione.

Possiamo individuare tre condizioni operative particolari di pressione di esercizio:

• I) PN fino a temperature di esercizio di 120°C.
• II) 0.80 PN fluidi chimicamente pericolosi a T<120°C oppure non pericolosi 120<T<300°C.
• III) 0.64 PN fluidi molto pericolosi oppure non pericolosi a T>300°C.

La pressione scende quanto più aumenta la temperatura del fluido o la pericolosità del fluido.

L’ultima colonna della tabella precedente fa riferimento al fatto che i tubi, prima di essere messi in opera, devono subire dei collaudi. Per “pressione di prova idraulica” si intende proprio la pressione di collaudo del tubo per certificarlo in base alla pressione nominale. Ricordiamo che 1 kg/mm² equivale a 1 bar.

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Materiali tubo

• Abbiamo diversi materiali con cui realizzare i nostri tubi.

I più comuni sono quelli in acciaio nelle sue diverse tipologie. La scelta del materiale va fatta tenendo conto delle caratteristiche del fluido che opera all’interno dei tubi e in relazione all’ambiente in cui il tubo andrà ad operare.

Principali materiali per tubi:

• Acciaio.
• Plastica.
• Ghisa.
• Piombo.
• Rame.
• Ottone.
• ...

Tipologia costruttiva

• Per tipologia costruttiva intendiamo il fatto che i tubi possono essere con o senza saldatura, lisci o filettati.

Un tubo si dice saldato quando si curva un foglio di lamiera e si crea il cordone di saldatura. Un tubo non saldato viene invece prodotto tramite un processo di laminazione e poi trafilatura a freddo.

È chiaro che le caratteristiche meccaniche cambiano in relazione al processo produttivo.

Un tubo si dice filettato quando troviamo delle filettature alle sue estremità, per cui, quando li andiamo ad assemblare, verranno avvitati l’uno con l’altro.

I tubi lisci hanno estremità non filettate, quindi vanno ad incastro tra loro e si collegano o con un raccordo a bicchiere o con altre soluzioni (guarnizioni).

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2 Marzo 2022 (dott. Destefani)

Mercoledì 2 marzo 2022 09:30.

Uno schema di processo è la descrizione grafica non in scala di un certo impianto. Ciò significa che ogni disegno è rappresentato fuori scala.

Uno schema di processo è importante perché descrive in modo schematico il processo di un impianto.

Abbiamo dei contenitori, delle valvole e delle linee sempre ortogonali che vanno a connettere dei bocchelli, delle flange o qualsiasi altro ugello tra loro. Hanno una direzione di flusso, un diametro, e tutto questo viene definito su uno schema di processo.

Il processista è il responsabile di un impianto: chi fa lo schema di processo decide come un impianto deve essere definito. Chi fa il 3D deve leggere lo schema e posizionare i componenti con una scala e una distanza adatte.

Eventuali curvature e raccordi delle tubazioni non vengono riportate in uno schema di processo, ma verranno definite dal progettista dell’impianto 3D.

In uno schema di processo bisogna comunque descrivere ogni componente, tant’è vero che in esso possiamo andare a riportare la cosiddetta “bill per material”, ovvero l’elenco dei componenti posizionati all’interno del processo.

È sempre più importante, quando si fa uno schema di processo, avere un elenco dei componenti il prima possibile, in modo tale che possano essere ordinati. Per ordinare il materiale dobbiamo essere certi che ciò che è presente nello schema di processo sia corretto, sia per i diametri che per i materiali e i fornitori.

Uno schema di processo deve essere semplice e deve contenere tutte le informazioni possibili, come ad esempio il volume e il peso di un serbatoio.

Stiamo trattando schemi di processo P&ID (piping & instrumentation diagram) e per disegnarli utilizzeremo il software M4 Plant della CAD Schroer.

Questo software ha diverse funzionalità, ad esempio fa la verifica del P&ID, ovvero verifica se tutti i componenti sono collegati o se ci sono collegamenti sbagliati.

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Lo schema di processo non è sempre costituito da un solo foglio, anzi molto spesso sono anche di più.

È importante che tali fogli siano tra di loro collegati, in modo tale da poter interagire in un team di professionisti. Definito lo schema di processo, il processista lo passa al progettista, il quale inizia a disegnare il layout di fabbrica e l’impianto nello spazio. Le tavole di layout non sono altro che delle tavole 2D da cui ottenere il 3D della fabbrica.

Building information modeling -> BIM.

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Dopo aver realizzato il piping 3D, otterremo uno sketch valido a livello mondiale, nel senso che qualsiasi tecnico è capace di leggerlo. È lo schema finale e completo del nostro impianto o di una sua specifica parte.

Introduzione al software M4 Plant

Per poter attivare la licenza 2D che contiene il modulo P&ID dobbiamo andare a cliccare sull'icona "M4 plant" e poi cliccare su "avvia M4 Drafting":

In questo modo parte il software 2D all'interno di un ambiente in cui è già presente il 3D, lavorando così in modalità combinata.

Questa finestra la possiamo lasciare iconizzata.

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Dati iniziali.

Zoom del cartiglio.

La dashboard si adatta al tipo di disegno selezionato sul disegno.

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Per attivare la licenza:

La password per accedere come amministratore è admin:

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Equipment -> compressori, pompe ecc.

Equipment in line -> valvole, ugelli ecc.

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Metrico.

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3 Marzo 2022 (prof.ssa Castiglione)

Giovedì 3 marzo 2022 08:30.

Criteri di scelta

È importante capire quali sono i criteri di scelta, dal lato del progettista, per quanto riguarda le tubazioni.

Una volta che abbiamo determinato la natura del fluido e le condizioni di posa in opera di questi tubi, scegliamo il materiale e la tipologia costruttiva. Il materiale si sceglie quindi in relazione a quelle che sono le condizioni operative.

Quando si parla di progettazione o dimensionamento di un impianto di piping, chiaramente facciamo riferimento alla scelta del diametro e dello spessore del tubo in base alle portate in gioco.

La normativa ci fornisce una relazione per dimensionare il tubo in termini di spessore:

In relazione alla natura del fluido si determinano materiale e tipologia costruttiva;

In base alla portata si determinano diametro e spessore del tubo.

Abbiamo visto dalle tabelle che diametro e spessore sono tra loro collegati in qualche modo; per cui, ipotizzando un diametro nominale, dalla relazione precedente si ottiene lo spessore minimo del tubo e si verifica sulla tabella della norma UNI se a quel diametro corrisponde lo spessore appena calcolato, altrimenti si sceglierà la combinazione perfetta diametro-spessore che garantisca almeno lo spessore minimo stesso.

La cosa più importante è proprio lo spessore che deve soddisfare dei criteri di resistenza, infatti nella formula di cui sopra compaiono sia la pressione che la tensione massima ammissibile.

In termini di sollecitazioni del tubo, la grandezza principale è lo spessore.

Per ipotizzare il diametro consideriamo il fatto che all’interno dei tubi vi è una certa velocità. Molto spesso quest’ultima viene suggerita secondo valori convenzionali (=dettati dall’esperienza del progettista), anche in base alla natura del fluido; se le velocità sono più elevate, si vengono a creare delle turbolenze e quindi delle ulteriori sollecitazioni (=vortici).

Dato che parliamo di fluidi all’interno di impianti, bisogna tenere conto anche dei problemi di cavitazione.

Una volta nota la velocità, possiamo calcolare il diametro del tubo a partire dalla portata (o comunque il diametro che ci serve in base ai vincoli di impianto).

In questo modo abbiamo caratterizzato i criteri di scelta utilizzati per progettare la rete di piping.

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Tubi in acciaio

I tubi in acciaio si possono classificare in tubi saldati e in tubi non saldati.

L’impiego dei tubi senza saldatura è nei settori che richiedono un’elevata integrità al tubo, ad esempio nelle costruzioni civili per:

• Ridurre l’instabilità da carico di punta (=carico di compressione agente sul tubo).
• Ridurre l’insorgenza di corrosione localizzata.
• Estetica.

O negli impianti con fluidi in pressione per:

• Elevate caratteristiche meccaniche.
• Ridurre l’insorgenza di corrosione localizzata.

I tubi in acciaio possono essere altresì classificati in relazione al tipo di acciaio utilizzato.

In particolare avremo tubi in acciaio commerciali, di classe normale, di classe superiore e speciali.

Non hanno particolari caratteristiche meccaniche perché si parla di acciai non legati o di acciai debolmente legati, e non sono neanche particolarmente costosi.

Possono essere con o senza saldatura e filettati o lisci.

Le filettature sono di tipo gas e coniche per evitare i trafilamenti.

I tubi in acciaio commerciali filettati sono caratterizzati da pressioni nominali tra 10 e 15 kg/mm² e diametri nominali da 10 a 100.

Per pressioni più elevate utilizziamo i tubi lisci, che sono collegati tra loro con diverse tipologie di giunti, che possono essere anche flangiati. Proprio perché possiamo collegarli in modo più resistente rispetto ai tubi filettati, lavoreremo con pressioni e dimensioni più elevate, anche intorno ai 25 bar e diametri nominali fino a 600.

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Ulteriori prove meccaniche di resistenza

Criteri di accettazione

Prima di poter commercializzare un tubo, esso deve soddisfare dei criteri di accettazione e quindi diversi requisiti:

• Superficie: la superficie del tubo deve essere liscia sia esternamente che internamente. Infatti, se sono presenti delle rugosità superficiali sia interne che esterne, si hanno maggiori probabilità di corrosione e di turbolenza del fluido. La creazione di vortici e di onde di pressione deve essere tenuta sotto controllo.
• Forma: i tubi devono avere una forma circolare con tolleranze geometriche precise. Avere una forma asimmetrica o schiacciata va ad alterare lo stato di sollecitazione del tubo; lì dove il tubo è soggetto a certe pressioni, avere uno schiacciamento significa avere delle zone maggiormente sollecitate e delle zone meno sollecitate. La sollecitazione sul tubo deve essere uniforme perché la progettazione viene fatta su una forma circolare. È ammessa una piccola variazione nella forma circolare ma deve essere contenuta all’interno delle tolleranze, altrimenti lì dove si creano delle tensioni maggiori non rispetteremo più il criterio di progettazione visto prima. Inoltre le estremità devono essere tagliate ortogonalmente all’asse: non ci possono essere sbavature nella parte terminale del tubo, altrimenti si viene a creare anche un problema di collegamento tra i vari pezzi.
• Lunghezza: dobbiamo seguire degli standard, anche ai fini del trasporto. Le lunghezze commerciali vanno da 4 a 8 m.

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• Materiale: i materiali devono essere rigorosamente quelli riportati nella seguente tabella o comunque nella normativa vigente:
• Ricottura: quando questi tubi vengono rilasciati in commercio, non devono esserci all’interno tensioni residue legate al processo produttivo di saldatura o di trafilatura. Tali lavorazioni creano delle sollecitazioni interne. Il fatto di avere tensioni residue interne implica che il tubo sia più fragile, quindi in genere, prima di essere commercializzato, viene sottoposto a una trattamento di ricottura che quindi allenta lo stato di sollecitazione.
• Tolleranze dimensionali: i tubi devono soddisfare dei requisiti geometrici e quindi delle tolleran.