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A L L E G A T O T E C N I C O

scheda PROdOTTOsisTema di cOgeneRaziOne a ciclO Rankine ORganicO a bassa TemPeRaTuRa (lT-ORc) e bassissima enTalPia

da 50 kW eleTTRici mOnTaTO su skid

ZE 50 ULH

Descrizione Della tecnologia iMPiantiStica

La struttura dell’impianto che proponiamo è basata sul cosiddetto ciclo Rankine organico a bassa temperatura (LT-ORC) e può essere riassunta nello schema in Figura 1.Una sorgente di calore [1] riscalda attraverso un circuito chiuso ad acqua calda ed uno scambia-tore primario, detto anche evaporatore [2], un particolare fluido di lavoro, posto all’interno di un circuito chiuso ORC.Tale fluido organico, completamente biodegradabile ed atossico, entra in ebollizione nell’evapo-ratore a temperature di gran lunga inferiori a quella di ebollizione dell’acqua diventando un gas ad alta pressione la cui espansione muove una turbina [3] appositamente costruita e dimensio-nata.La rotazione ad alta velocità (12.000÷18.000 Rpm) dell’ albero turbina trascina con se il rotore di un generatore direttamente calettato sull’albero, producendo elettricità [4] che può essere sia auto-consumata sia immessa in rete previa sincronizzazione in fase e tensione con la corrente di rete esistente tramite un circuito detto inverter.All’uscita della turbina il fluido di lavoro, ancora in forma gassosa, viene portato ad un condensa-tore (5) dove cede il calore in eccesso e ritorna ad essere un liquido che viene raccolto in un appo-sito serbatoio. Il liquido è quindi ora pronto per essere nuovamente pompato nello scambiatore primario per completare così il circuito chiuso.Il calore in eccesso rilasciato nel condensatore rappresenta una fonte di energia termica diretta-mente utilizzabile anche per altri usi: preriscaldamento o essiccazione della biomassa (riducen-done così il contenuto di umidità ed aumentandone il valore energetico), riscaldamento ambien-tale, produzione di acqua calda per processi produttivi industriali, etc.Qualora ciò non avvenga, il calore residuo può essere dissipato tramite una compatta torre eva-porativa [6]

Figura 1 - Schema dell’impianto

IN BREVE

Tecnologia: Ciclo Rankine

Organico a bassa temperatura

(LT-ORC)

Circuito chiuso privo di emissioni

Il calore fa evaporare ed espandere un fluido di lavoro

a basso punto di ebollizione

L’espansione del fluido di lavoro

aziona una turbina ad alta velocità

La turbina aziona direttamente il

generatore

Il fluido raffredda, condensa e

ritorna in ciclo

IN BREVE

Possibilità di sfruttare sorgenti “povere”

Semplicità impiantistica

Nessuna erosione delle pale turbina

Minor pressione, maggior sicurezza

Nessuno scarico in atmosfera

Alta affidabilità

Tecnologia all’avanguardia

Funzionamento automatizzato

senza operatore

Impianto monitorabile e

controllabile da remoto

tecnologia innoVaTiVa

Progettati e realizzati in proprio avvalendosi delle più avanzate tecnologie (analisi ad elementi finiti ed analisi fluidodinamica (CFD/CFX)), i turbogeneratori ZE sono pensati fin dall’inizio per operare all’interno di un ciclo Rankine organico a bassa temperatura che utilizza uno speciale fluido di lavoro in grado di offrire migliori rendimenti ed una serie notevole di vantaggi rispetto alle tradizionali turbine a vapore:• Bassa temperatura operativa che consente di sfruttare anche sorgenti termiche “povere”;• Alta temperatura di condensazione che consente l’utilizzo anche di economici condensa-

tori ad aria; • Fluidodi lavorocompletamenteasciutto,quindinessunaerosionedellepaledella turbina

e quindi il sistema ha un‘alta affidabilità, contenuti costi di manutenzione e necessita di pochi controlli;

• Bassepressionioperative(massimo20bar),ovveromaggiorsicurezza,minoriprobleminor-mativi e minori costi impiantistici;

• Nessunoscaricoinatmosfera(lavorainciclochiuso);

Inoltre, dal punto di vista ecologico, il fluido organico utilizzato nel circuito chiuso è “ozone-friendly”, atossico e completamente biodegradabile.

I turbogeneratori serie ZE sono stati progettati appositamente da zero con l’obiettivo di essere installati su impianti di piccole dimensioni (<1MWe). Sono state quindi implementate soluzioni ingegneristiche concepite per elevarne al massimo il rendimento: • Accoppiamento diretto della turbina all’alternatore, che elimina gli attriti di eventuali ri-

duttori di velocità;• Utilizzo di cuscinetti ceramici che prolungano la vita operativa e consentono il funziona-

mento ad elevati regimi di rotazione; • Impiego di inverter progettati e dimensionati appositamente per ogni taglia di turbina

allo scopo di immettere in rete l’energia elettrica con un rendimento di conversione ottimale.

Questa tecnologia innovativa è ormai ampiamente collaudata con successo da numerosi impian-ti sul territorio italiano, in microcentrali ad olio vegetale, impianti a biomassa ed a biogas, centrali termiche di hotel e sistemi di teleriscaldamento comprensoriali.

Tutti i sistemi Zuccato Energia sono dotati di sistemi di telecontrollo e telediagnosi che consento-no una costante monitorizzazione ed un intervento in tempo reale in caso di malfunzionamento tramite la rete cellulare 3G / GPRS / EDGE ed un dispositivo con accesso ad Internet (PC o tablet).

tecnologia ProVaTa sul camPo

I sistemi ZE-50-ULH sono in uso da anni in molteplici installazioni : ecco di seguito alcune delle nostre installazioni.

Per un elenco più aggiornato e dettagliato delle nostre referenze vi preghiamo di consultare le pagine relative del nostro sito internet, www.zuccatoenergia.it.

Renon (BZ) - Recupero termico da camicie e fumi di motori ad olio vegetale

Portogruaro (VE) - Recupero termico da camicie e fumi di motori a biogas

Roma - Recupero termico da camicie e fumi di pirogassificatori e motori a syngas

Morgex (AO) - Recupero termico da camicie e fumi di motori ad olio vegetale

Mestre (VR) - Recupero termico da caldaia a biomassa e turbine ad aria calda

S.Pietro in Gu (PD) - Recupero termico da camicie e fumi di motori a biogas.

Merano (BZ) - Recupero termico da camicie e fumi di pirogassificatori e motori a syngas

Borgoforte (MN) - Recupero termico da camicie e fumi di motori a biogas.

IN BREVE

Tecnologia ampiamente

collaudata

Numerose installazioni

Recupero termico da motori,

gassificatori,turbine

Recupero calore da fumi e camicie di rafreddamento

coMPonenti Del circuiTo orc

Oltre al fluido di lavoro precedentemente menzionato, il sistema di generazione elettrica ZE-50-ULH si compone di vari elementi , elencati nello schema a blocchi sottostante.

- Pre-Heater: effettua un pre-riscaldamento del fluido di lavoro utilizzando l’acqua calda del circuito diatermico in alimentazione al sistema ORC;

- Evaporatore: utilizza il calore dell’acqua calda del circuito diatermico in alimentazione al si-stema ORC per effettuare la vaporizzazione del fluido di lavoro (cambiamento di fase con innalzamento della pressione);

- Turbina: spinta dall’ espansione del fluido di lavoro, la sua girante ultraleggera raggiunge altissime velocita (12-18.000 giri/minuto) trascinando con se il rotore del generatore;

- Generatore elettrico sincrono : ruotando ad alta velocità in connessione diretta con la turbi-na, produce energia elettrica

- Inverter : adegua le caratteristiche (fase, frequenza e voltaggio) della corrente elettrica pro-dotta dal generatore per consentire l’interfacciamento dell’alternatore alla rete elettrica na-zionale;

- Condensatore : riduce la temperatura del fluido di lavoro in fase gassosa all’uscita della tur-bina, per consentirgli di ritornare alla originaria fase liquida;

- Serbatoio di raccolta per il fluido di lavoro in forma liquida;- Pompa di ricircolo per il rilancio del fluido di lavoro;

dati Di Processo

Di seguito i dati di processo stimati per l’impianto:

PREHEATER + EVAPORATORE VALORE U.M.

Potenza termica totale in ingresso alla turbina 550 [kWth]

Temperatura acqua calda in ingresso = > 94 [°C]

Temperatura acqua calda ritorno 86 [°C]

Portata acqua calda mandata 16,42 [kg/s]

Potenza elettrica erogata dalla turbina 50 [kWe]

CONDENSATORE VALORE U.M.

Potenza termica da dissipare 470 [kWth]

Temperatura acqua uscita condensatore 31 [°C]

Temperatura acqua ingresso condensatore 26 [°C]

Portata acqua circuito condensazione 22,46 [kg/s]

Pre-­‐Heater Evaporatore Turbina  ad  altavelocità

Pompa  di  ricircolo Serbatoio Condensatore

Rete  ele;rica

Generatore  ele;ricosincrono

Inverter

flUido Di laVoro

Il fluido di lavoro è la componente caratteristica che ha permesso a Zuccato Energia di realizzare questa tipologia di impianti. Infatti è grazie alla sua esistenza che è stato possibile studiare e realizzare le soluzioni ad alta tecnologia che questa azienda è in grado di proporre. Il fluido di lavoro Zuccato Energia possiede le seguenti ottime caratteristiche:• Rangedilavorocheconsentedisfruttarefontiprimaritenuteinutilizzabili;• Alta temperaturadicondensazionechepermette l’utilizzodi torridi raffreddamentostan-

dard; • Nessunaerosionedellepaledellaturbina,perchéilfluidodilavoroècompletamenteasciut-

to; • Bassepressionioperative(20bar),ovveromaggiorsicurezza ,minoriprobleminormativie

minori costi; • E’completamente“ozone-friendly”,organico,atossicoecompletamentebiodegradabile.Ri-

spetta quindi completamente e totalmente la natura ed eventuali accidentali perdite non sono considerabili dannose o pericolose;

• Deveessereraramenteintegratoperchélavorainuncircuitochiuso;• Inpiùgraziealfluidononc’èconsumod’acquaovaporeel’impiantorisultaquindieconomi-

co nella gestione oltre che molto semplice e compatto.

All’interno dell’impianto inoltre il fluido subisce vari passaggi di stato e trattamenti, le caratteri-stiche di processo sono riassunte nella seguente tabella:

FLUIDO DI LAVORORange di lavoro 60-165°C

Temperatura di condensazione ~33°C

Pressioni operative max. 20 bar

Fluido vettore del ciclo ORC n.d.

Temperatura in ingresso 85 °C

Pressione in ingresso 4,38 bar

Potenza termica richiesta 550 kWth

Temperatura di condensazione 35°C

Pressione in uscita dal condensatore 1,00 bar

Portata massica di vapore organico 3,09 kg/s

IN BREVE

Fluido di lavoro esclusivo

Basso punto di evaporazione, alto punto di

condensazione

Circuito chiuso- nessuna contaminazione

Non erode le pale della turbina

Innocuo per l’uomo e per l’ambiente

dati SPecifici Turbina ze-50-ulH

Di seguito le specifiche tecniche dei turbogeneratori ZE-50-ULH.

TURbINATipo Radiale ad ugelli fissi, direttamen-

te accoppiata all’albero del gene-ratore

Temperatura in ingresso 85°C

Temperatura in uscita ca. 60°C

Pressione di stadio PS 4,42 (test pressione a 10 bar)

Corpo turbina Acciaio saldato

Girante Lega di alluminio

Controllo di velocità Anello di retroazione sulla corren-te in uscita dal generatore

Tenuta Labirinto sigillato su retro girante Opzionale: labirinto assiale sigilla-to all’interfaccia con il generatore. Verso l’esterno: statiche, O-rings

GENERATORETipo Sincrono, a magneti permanenti

Potenza 50 kWe

Velocità 15.000 Rpm (12...18 kRpm)

Raddrizzatore Incorporato

Sincronizzatore di rete Compreso

Tensione 650- 850 VDC

Raffreddamento Camera ad acqua

Raffreddamento ad acqua richiesto 5 kWth

Fluido refrigerante Acqua /glicole

Temperatura di ingresso acqua < 40°C

Portata volumetrica di acqua 10 l/min

Refrigerante aggiuntivo (opzionale) Iniezione di fluido di processo

Tenuta generatore 2,5 bar (tenuta gas)

INVERTERTipo IGBT-sincronizzatoallarete

Potenza 50 kWe

Tensione 400 V + 5% Tol.

Frequenza 50 Hz +0,5% Tol.

Raffreddamento Ad aria

Temperatura ambiente 40°C

Chopper di frenatura Incluso, 75 kJ

IN BREVE

Turbina radiale a bassa temperatura

ed alta velocità progettata

appositamente

Generatore incorporato,

calettato direttamente

sull’ asse turbina

Inverter integrato

appositamente progettato

coMPonenti Del sisTemascambiatori Di caLorEGli scambiatori di calore utilizzati nel modulo ORC ZE-50-ULH sono a piastre saldo brasati. Rap-presentano la più compatta ed economica soluzione per molte applicazioni. La tecnologia co-struttiva si basa sull’accoppiamento di più piastre di acciaio di qualità corrugate a spina di pesce che vengono assemblate a verso invertito di 180° rispetto all’adiacente. Tenendo conto che le sezioni di passaggio dei fluidi sono molto contenute, i volumi d’ingombro di questi scambiatori sono minimi in relazione alla loro capacità di scambio termico. Tra le specifiche tecniche di que-sta tipologia di scambiatori si ricordano le più importanti:• Ridotte dimensioni : occupazione di spazio fino ad 1/10 dello spazio occupato da altri tipi di

scambiatori, agevolando il trasporto riducendo le dimensioni dell’impianto.• Bassi approcci di temperatura: è possibile lavorare con una minima differenza tra, ad esem-

pio la temperatura dell’acqua di raffreddamento ed il prodotto da raffreddare, così da miglio-rare l’efficienza del sistema;

• Peso ridotto: l’esecuzione compatta ed il ridotto volume interno rendono il peso di questo tipo di scambiatori una frazione di quello degli scambiatori tradizionali;

• Basse perdite di carico: nella maggior parte dei casi la perdita di carico nello scambiatore saldobrasato è minore di quella degli scambiatori coassiali.

• Resistenza allo sporcamento e corrosione: l’ elevata turbolenza e lo sfruttamento totale della superficie si riflettono in una drastica riduzione dei depositi dovuti al materiale contenu-to nei liquidi, inoltre sono perfettamente pulibili con dei normali fluidi detergenti. I problemi di corrosione risultano limitati data la specifica resistenza dei materiali costruttivi.

SCAMbIATORI DI CALORETipologia a piastre saldobrasati

Pressione di lavoro 30 bar

Pressione di collaudo 39 bar

Pressione di scoppio 225 bar

Materiali usati Acciaio inox (AISI316) e rame 99,9%

Temperature di lavoro 195°C

sErbatoio raccoLta coNDENsESi tratta di un contenitore per la raccolta del fluido vettore liquido di capacità adeguata a garan-tire all’impianto un adeguato polmone. E’ munito di sensori per un monitoraggio costante dei livelli interni di fluido.

SERbATOIO RACCOLTA CONDENSEMateriale Acciaio al carbonio trattato anti-

ruggine

Capacità 90 litri

Raccorderia PN16

Sensore di livello integrato

PomPa fLUiDo vEttorEHa lo scopo di rimettere in circolo il fluido vettore condensato. La parte idraulica viene mantenu-ta in posizione tra il coperchio superiore e il corpo pompa mediante tiranti.

POMPA FLUIDO VETTOREMotore A gabbia in cortocircuito del tipo

chiuso a ventilazione esterna;

Rendimento motore Fascia di efficienza 1;

Grado di protezione motore IP55

Isolamento motore Classe F (Tmax=155°C);

Certificazione motore EN60034-1;

IN BREVE

Scambiatori a piastre

saldobrasati,compatti

ed efficienti

Ampio polmonedi fluido di lavoro

Pompa di ricircolo ad alta efficienza

QUaDro Di coNtroLLoNelquadrodicontrollirisiedetuttalapartedielettronica,supervisione,automazioneecontrollodel nostro impianto. Al suo interno sono presenti quindi: • Gestionediprocesso;• Controllodellatemperatura;• Controllodellapressione;• Gestionedegliallarmi;• Controllodelcollegamentoallarete;• Inverterperrifasamentoenergiaprodotta;• Quadrodiparalleloreteconprotezionibassatensione.

Il quadro di controllo include inoltre sistemi di telecontrollo e telediagnosi che consentono una costante monitorizzazione delle prestazioni dell’impianto ed un intervento in tempo reale in caso di malfunzionamento. Tale collegamento avviene tramite un modem router cellulare 3G / GPRS / EDGE incorporato e consente l’ accesso tramite qualsiasi dispositivo con accesso ad Internet (PC o tablet).

torrE EvaPorativa (opzionale)Qualora il cliente non abbia un utilizzo per il calore residuo che è necessario smaltire per la con-densazione del fluido di lavoro e non disponga di una torre evaporativa propria abbiamo scelto una tipologia di torre evaporativa di caratteristiche costruttive superiori in grado di assicurare una temperatura di condensazione costante per tutto l’anno, requisito fondamentale per una resa di ciclo ottimale e continuativa. La batteria di scambio termico è studiata per permettere un elevata superficie di scambio termico e facilitare la manutenzione/pulizia. L’utilizzo di materie plastiche e fibra di vetro ne riduce il peso e ne consente l’installazione praticamente ovunque.

TORRE EVAPORATIVATipologia A ventilatori assiali

Dimensioni 3,6 x 1,2 x h 3,2 m

Resa dissipativa 500 kWt

Peso operativo: 2,2 t

Bulboumido 25°C

Reintegro acqua necessario (Pmax=4bar) 13,2 l/min

Livelli sonori massimi a 1 m/ 15 m 87/76dBa (senza silenziatori opz.)

Carrozzeria Acciaio zincato a caldo

Materiale struttura e vasca raccolta acqua Acciaio zincato a caldo

Bulloneria AISI 304

Sistema di distribuzione dell’acqua InPVC,PN10

Ugelli in PVC, geometria antiotturazione

Alette paraspruzzi estruse,inNylonrinforzato

IN BREVE

Sistema di controllo completamente automatizzato

Funzionamento senza operatore

Quadro di controllo touch-screeen

Controllo remoto via internet mobile

Inverter e

quadro di parallelointegrati sullo skid

Torre evaporativa opzionale

leggera e compatta

Sistemi di silenziamento opzionali per applicazioni in aree residenziali

Torre evaporativa in esecuzione standard senza silenziatori

ingoMbri Del sisTema ze-50-ulHsKiDIl sistema viene fornito montato su un telaio compatto (skid) che ospita tutti i componenti prin-cipali, ad eccezione della torre evaporativa, che costituisce un sistema separato. Gli schemi seguenti riportano gli ingombri dello skid standard del modulo ORC ZE-50-ULH. Il modulo standard ha un peso di circa 3,5 t ed è pensato per una installazione al chiuso, al riparo dalle intemperie.E’ disponibile una versione chiusa con container in metallo a tenuta di intemperie che rende lo skid utilizzabile anche all’ aperto.

Si tenga poi presente che, oltre all’area coperta dallo skid, è necessario uno spazio libero di alme-no 1 m per lato per l’ accesso in caso di manutenzione. Zuccato Energia, in quanto sviluppatore del sistema, può anche, a richiesta, realizzare lo skid in dimensioni diverse dallo standard sopra riportato, per adattarsi alle esigenze del cliente.

3950

1200

431

20

1315

20

1877

20

2038

20

11320

85020

2500

IN BREVE

Versione standard per installazione

al chiuso

Ingombro skid:395 x 120 cm

h 238

Area necessaria:595 x 320 cm

h 338

Peso:ca. 3,5 t

Disponibile in versione cabinata

per esterni(415 x 150 x 315 cm,

peso ca 5 t)

Eseguibile a richiesta

in misure custom

torrE EvaPorativaLa torre evaporativa è un’unità opzionale che ha lo scopo di dissipare il calore in eccesso qualora esso non venga utilizzato altrimenti (riscaldamento, essicazione combustibile...) Essa occupa un’area di 3,7 x 1,2 m per un’altezza di almeno 3,2 m, come da schema seguente.

Anche in questo caso è necessario un ulteriore metro per lato per per l’ accesso in caso di manu-tenzione e per consentire un corretto ricircolo dell’aria. Tale spazio aumenta a 2m tra questa ed altre torri evaporative di altri apparati eventualmente già presenti per evitare interferenze nel funzionamento.

1146

3213

3653

IN BREVE

Realizzazione in acciaio zincato

a caldo

Ingombro:366 x 115 cm

h 322

Area necessaria:566 x 315 cm

h 422

Distanza minima da altre

torri evaporative:2 metri

Peso:ca. 2,2 t

Via della Consortia 237127 Verona - Italy

Te l . 0 4 5 8 3 7 8 5 7 0Fa x 0 4 5 8 3 7 8 5 7 4www.zuccatoenergia.itinfo@zuccatoenergia.it

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