SERBATOI DI PROCESSO PER L'INDUSTRIA

Gli scambiatori di calore sui serbatoi di processo sono utilizzati in diversi processi tecnologici, tra cui il trattamento termico di prodotti stoccati o miscelati. Queste tipologie di serbatoi trovano impiego nell'industria alimentare, chimica, petrolchimica e farmaceutica.

Questi scambiatori di calore a serbatoio vengono utilizzati per il riscaldamento, il raffreddamento e il controllo della temperatura in processi tecnologici quali pastorizzazione, fermentazione, liquefazione del mosto, cottura, sintesi chimica e temperaggio. FME Food Machinery Europe Sp. zoo opera in Polonia dal 2007 come produttore di macchinari, attrezzature e linee di processo utilizzati nell'industria alimentare, in particolare nella lavorazione di frutta e verdura.

Automazione della produzione di scambiatori di calore a serpentina per serbatoi di processo

1. Applicazione degli scambiatori di calore nei serbatoi

Gli scambiatori di calore sui serbatoi di processo sono utilizzati in diversi processi tecnologici, tra cui il trattamento termico di prodotti immagazzinati o miscelati. Questi tipi di serbatoi trovano impiego nell'industria alimentare, chimica, petrolchimica e farmaceutica. Gli scambiatori di calore integrati nei serbatoi vengono utilizzati per il riscaldamento, il raffreddamento e il controllo della temperatura in processi tecnologici come la pastorizzazione, la fermentazione, la liquefazione del mosto, la cottura, la sintesi chimica e il temperaggio. FME Food Machinery Europe Sp. zoo opera in Polonia dal 2007 come produttore di macchinari, attrezzature e linee di processo per l'industria alimentare, compresa la lavorazione di frutta e verdura.

Il continuo miglioramento e l'incremento della qualità dei nostri prodotti e servizi richiedono investimenti in nuove soluzioni tecnologiche per soddisfare le aspettative dei clienti, espanderci in nuovi mercati e ottenere un vantaggio competitivo. Pertanto, l'azienda ha deciso di migliorare la produzione di serbatoi di processo utilizzati nell'industria alimentare, comprese le linee di produzione di bevande, succhi di frutta, ketchup, puree di frutta, marmellate, ripieni per dolciumi, mousse di frutta, cioccolato e sciroppi. I serbatoi di processo sono tra i dispositivi più comunemente utilizzati nella produzione alimentare e l'industria alimentare dimostra una costante domanda di prodotti e soluzioni tecnologiche innovative. Data la natura del processo, i serbatoi possono fungere da serbatoi di stoccaggio, di accumulo o essere utilizzati per processi termotecnologici. La necessità di utilizzare un serbatoio per miscelare, riscaldare, raffreddare, mantenere la temperatura o immagazzinare un fluido si presenta in diverse fasi del processo tecnologico. Pertanto, i serbatoi di processo sono un elemento essenziale della maggior parte delle linee di produzione nell'industria alimentare.

2. Simulazione computerizzata dei componenti della serpentina in un serbatoio di processo

Grazie all'utilizzo del software CAD SolidWorks nell'ufficio di progettazione, è stata eseguita una serie di simulazioni al computer per abbreviare i tempi necessari allo sviluppo della sezione trasversale ottimale della bobina sagomata e per ridurne i costi di produzione.

Le ipotesi utilizzate per condurre le simulazioni al computer al fine di ottenere il profilo corretto della serpentina includevano: resistenza a una pressione di almeno 6 bar, idoneità alla formatura plastica (laminazione e avvolgimento sul guscio del serbatoio), bassa sensibilità alle variazioni di pressione e temperatura, elevata resistenza alla formazione di incrostazioni nella caldaia, bassa resistenza al flusso del fluido termovettore, elevata resistenza alla corrosione e peso ridotto. Queste simulazioni al computer hanno portato alla sezione trasversale ottimale della serpentina.

3. Ricerca e sviluppo, ricerca interna

Questa sezione trasversale è stata realizzata utilizzando una tecnica di piegatura con pressa piegatrice e successivamente saldata manualmente a TIG su una lamiera piana. L'elemento così preparato è stato sottoposto a una prova idrostatica, durante la quale sono state valutate la deformazione e la resistenza alla pressione. Le nostre ricerche hanno dimostrato che la forma a spirale progettata resiste alla pressione di esercizio a una temperatura ambiente di 140 bar senza cedimenti. La pressione di prova è stata limitata dalle capacità del dispositivo di prova idrostatica adottato e utilizzato per condurre test in condizioni di resistenza alla pressione reali. Per le prove è stata realizzata una spirale lunga 1200 mm.

Al termine del progetto di ricerca, le soluzioni progettuali e tecnologiche sviluppate durante l'attività di ricerca e sviluppo sono state testate in condizioni reali. Pertanto, è stata progettata e realizzata una stazione tecnologica automatizzata per la produzione di una serie di serbatoi di processo.

4. Progettazione di una stazione automatizzata per la produzione di scambiatori di calore a serpentina da applicare sui gusci dei serbatoi di processo.

Il presupposto principale di questo progetto era che, in un unico ciclo tecnologico, la bobina venisse formata, arrotolata e saldata simultaneamente al guscio esterno.

I componenti principali di questa stazione sono: una colonna e un braccio, sul cui braccio è montata un'unità di saldatura contenente due torce TIG con alimentazione del filo al bagno di saldatura; una macchina a rulli per la formatura dei canali, fissata alla colonna e al braccio; e un attuatore con forza di pressione regolabile. L'attuatore ha un rullo di pressione fissato all'estremità dello stelo del pistone, che ha il compito di far rotolare il canale a spirale sulla superficie esterna del guscio del serbatoio di un dato diametro. Ciò consente alla forma del canale a spirale di adattarsi automaticamente al diametro esterno del serbatoio. Il profilo della spirale viene formato mediante un laminatoio. La macchina a rulli della stazione di saldatura contiene cinque coppie di rulli di laminazione, ciascuna azionata da un motoriduttore. La forma desiderata del profilo della spirale si ottiene facendo passare il materiale sabbiato attraverso coppie successive di rulli, che aumentano la deformazione plastica, determinando la corretta geometria del canale. Il braccio della colonna e del braccio della stazione di saldatura è montato in modo girevole su un carrello montato sulla prima guida tramite un cuscinetto di rotazione. La rotazione della colonna e del braccio è ottenuta tramite una trasmissione a ingranaggi e un servomotore. Il secondo binario trasporta un supporto a rulli attivo e un supporto a rulli passivo, che sostengono serbatoi con diametri compresi tra 1200 e 3200 mm. Il supporto a rulli attivo forza la rotazione del serbatoio in base alla velocità di saldatura. La stazione di saldatura è dotata di un posizionatore inclinabile e rotante per la creazione di bobine su serbatoi con diametri compresi tra 780 e 1200 mm. Un erogatore di gas è montato sul lato del laminatoio per proteggere la radice del profilo della bobina e contiene anche un elemento di massa che consente la chiusura del circuito di saldatura. La barra piatta della bobina avvolta è montata davanti al laminatoio. La saldatura viene eseguita con il metodo GTAW in atmosfera di gas inerte, utilizzando azoto come gas di protezione per la radice del cordone di saldatura all'interno del profilo della bobina nel punto di saldatura. Il serbatoio viene messo in rotazione e le posizioni della torcia vengono modificate insieme al carrello della colonna e del braccio e al laminatoio, che si muovono in linea retta sincronizzati con la rotazione del serbatoio. Per il metodo GTAW, vengono installati due dispositivi con una corrente di saldatura massima di 500 A, prodotti da Closs Polska, che fungono da fonti di alimentazione. Questi dispositivi mantengono una lunghezza d'arco costante tra il bagno di saldatura e la torcia, indipendentemente dalla precisione del guscio del serbatoio. Tale distanza dipende dalla tensione durante l'arco: maggiore è la lunghezza dell'arco, maggiore è la tensione. Questo segnale viene inviato al PLC, che, tramite un algoritmo appropriato, trasmette un segnale di controllo al servomotore, il quale aziona la torcia mantenendo così la lunghezza d'arco desiderata. Durante la fabbricazione della bobina sulla superficie esterna del guscio del serbatoio, il controllore PLC deve sincronizzare la velocità di rotazione del serbatoio con la velocità lineare del carrello colonna-braccio, l'angolo colonna-braccio, la velocità di formazione del canale, la velocità di avanzamento del canale sul guscio del serbatoio e la potenza del bruciatore.

5. Serbatoi con scambiatori di calore sulla superficie esterna del guscio, fabbricati su una stazione robotizzata.

Gli scambiatori di calore prodotti in questa stazione consentono un'elevata ripetibilità e un'alta qualità di intere unità di processo, eliminando o minimizzando al contempo i fenomeni sfavorevoli che si verificano con la saldatura manuale. Le dimensioni geometriche ottimali della serpentina saldata consentono di alimentarla ad alta o bassa pressione. Questo metodo di fabbricazione dello scambiatore di calore sul corpo del serbatoio di processo permette di mantenere intatta la superficie interna del serbatoio con una rugosità inferiore a Ra 0,8 µm. Questa soluzione consente l'utilizzo di un semilavorato (barra piatta) per la fabbricazione di una serpentina uniforme lunga fino a 300 metri. L'utilizzo di parametri di saldatura ottimali, in funzione dello spessore del corpo del serbatoio, dello spessore del profilo della serpentina e della velocità di saldatura, consente la produzione di giunzioni saldate ripetibili in acciaio inox AISI 316L e AISI 304 con elevata resistenza alla corrosione, una piccola zona termicamente alterata, una maggiore resistenza all'urto e la possibilità di utilizzare pressioni più elevate per i fluidi di riscaldamento o raffreddamento. Inoltre, la saldatura a spirale sulla superficie esterna del guscio del serbatoio rinforza la struttura poiché è realizzata in un unico pezzo di materiale che non si surriscalda e presenta una bassa distorsione di saldatura. Pertanto, è possibile utilizzare lamiere più sottili per il guscio, aumentando la conduttività termica tra il fluido di riscaldamento o raffreddamento e il fluido all'interno del serbatoio.

La stazione tecnologica realizzata in questo modo è stata oggetto di domanda di brevetto n. P433821 l'8 maggio 2020.

Una serie di tipi di serbatoi con un rivestimento a spirale saldato su entrambi i lati al rivestimento laterale del serbatoio presso una stazione automatizzata

I valori riportati nella tabella possono variare a seconda del design del serbatoio.

I dati sopra riportati si riferiscono a una corsa della bobina di 150 mm, che per ragioni tecnologiche rappresenta la corsa minima.

È possibile realizzare una bobina con una corsa del mantello superiore a 150 mm, nonché con un isolamento più spesso di 100 o 150 mm.

È possibile installare una serpentina sul fondo del serbatoio, ma solo se l'estremità inferiore è conica. Questa soluzione progettuale viene quotata individualmente.
Sono disponibili altre dimensioni di serbatoi, modelli con agitatori, configurazioni di ugelli e altri requisiti, anch'essi quotati individualmente.