Valutare la sicurezza delle macchine refrigeranti mediante le analisi fluidodinamiche CFD

Sfide operative
✔ Realizzare nuovi prodotti che siano più sostenibili dal punto di vista ambientale
✔ Valutare la sicurezza della macchina con refrigeranti infiammabili
✔ Ridurre i costi della sperimentazione per le prove di sicurezza

Chiave per il successo
✔ Affidarsi a SmartCAE per sviluppare un metodo di studio basato sulle analisi CFD che permettesse di simulare le perdite di gas infiammabile

Risultati ottenuti
✔ Identificare e sviluppare le soluzioni migliori già in fase di progetto
✔ Usare il Digital Twin della macchina per testare tutte le possibili situazioni di pericolosità
✔ Sfruttare i risultati delle analisi come documentazione per l’analisi dei rischi

Le nuove normative internazionali spingono le aziende a sviluppare prodotti sempre più sostenibili nei confronti dell’ambiente. Nel settore dei sistemi di refrigerazione questa spinta alla sostenibilità si traduce in requisiti di risparmio energetico e nell’utilizzo di gas refrigeranti naturali che abbiano impatto basso o addirittura nullo in caso di dispersione nell’atmosfera. L’utilizzo dei gas naturali, a esclusione della CO2, comporta però la gestione di sostanze infiammabili che possono generare situazioni pericolose nel caso di dispersione nell’ambiente. In questa intervista scopriamo come per RIVACOLD la collaborazione con SmartCAE si sia rivelata vincente per verificare la sicurezza delle macchine refrigeranti mediante le analisi fluidodinamiche CFD.

RIVACOLD è l’azienda capofila del Gruppo VAG (Vitri Alceste Group), opera nel settore della refrigerazione industriale e commerciale. Giuseppe Vitri, Innovation Manager di RIVACOLD ci racconta brevemente la storia di questa importante realtà italiana. “RIVACOLD è nata nel 1966 a Vallefoglia in provincia di Pesaro, ad oggi conta circa 1700 dipendenti, ed è in continua espansione. Le tecnologie in continua evoluzione e l’impiego di nuovi refrigeranti naturali spingono l’azienda ad ampliare e diversificare la produzione, presidiando nuovi segmenti di prodotto e creando nuovi reparti di ricerca, ingegnerizzazione e assemblaggio.” “Rivacold rappresenta anche un punto di riferimento per lo sviluppo economico, sociale e culturale del territorio che la ospita.” continua Vitri “Territorio a cui l’azienda dedica da anni una grande attenzione, come dimostrato inoltre dalle tante attività svolte. Rivacold collabora, infatti, con scuole e Università per lo sviluppo di progetti e l’inserimento nel mondo del lavoro dei ragazzi. È molto attiva per tutte quelle che sono le iniziative sportive, culturali, benefiche legate alla provincia. Una passione che ha accompagnato gli ultimi anni è stata la partecipazione come sponsor del Motomondiale aiutando giovani piloti a inserirsi, crescere e realizzarsi in questo sport.”

Chiediamo a Vitri quali siano le sfide legate alla progettazione del prodotto in questo ambito, da un punto di vista tecnico. “La sfida è quella di realizzare nuovi prodotti che siano più sostenibili dal punto di vista ambientale, quindi proporre al mercato macchine che tendono a non utilizzare più i refrigeranti tradizionali. Adesso si utilizzano refrigeranti naturali che solitamente sono di tre tipi: infiammabili, poco infiammabili, o non infiammabili come l’anidride carbonica, ad esempio.” “Un refrigerante infiammabile, come ad esempio il propano, possiede entrambe le caratteristiche principali per rispondere bene ai nuovi requisiti: sostenibilità in termini di emissioni dirette legate all’eventuale fuga, che non impatta a livello ambientale; sostenibilità in termini di emissioni indirette che sono i consumi energetici.” Quando si parla di refrigeranti infiammabili nascono delle problematiche legate alla sicurezza della macchina: si tratta di un aspetto mandatorio per l’immissione sul mercato di un macchinario. “È vero che la macchina frigorifera è un circuito chiuso ermetico,” continua Vitri “ma se ci sono guasti, se ci sono malfunzionamenti, potrebbero nascere delle situazioni che producono la fuoriuscita di refrigerante. Trattandosi di gas infiammabili bisogna capire come l’uscita di queste sostanze possano creare dei problemi alla sicurezza nei dintorni della macchina o all’interno della macchina stessa.” “Quindi nella nostra progettazione dobbiamo valutare quali siano le concentrazioni di refrigerante infiammabile sia all’interno della macchina, sia all’esterno, per verificare che non si creino situazioni tali da provocare l’innesco della combustione.” “All’interno valutiamo la criticità di tutti i nostri componenti e facciamo delle scelte mirate e dedicate per il tipo di applicazione, per evitare che si creino contemporaneamente le condizioni per ottenere una concentrazione adeguata a generare l’infiammabilità, e la presenza di una sorgente di innesco come potrebbero essere principalmente un malfunzionamento dal punto di vista elettrico o sovratemperature.” “L’eventuale fuoriuscita però non riguarda solo la macchina nel suo interno, ma vanno dati dei paletti in termini di installazione, in modo che chi la installa adotti tutti i criteri di sicurezza. Questo vuol dire fornire dei vincoli di installazione dove non ci devono essere principalmente sorgenti di innesco. Come ci si può immaginare minori sono i vincoli di installazione, ad esempio la distanza minima tra due unità adiacenti, migliore è la vendibilità del prodotto sul mercato.”

Poter verificare i vincoli di installazione della macchina richiederebbe test estremamente costosi sul prototipo ma anche complessi e pericolosi a causa dell’infiammabilità del refrigerante. Per questo motivo RIVACOLD ha deciso di rivolgersi a SmartCAE per simulare questo fenomeno attraverso l’analisi fluidodinamica computazionale CFD. “La realizzazione di questo tipo di analisi per comprendere a pieno il comportamento della nostra macchina richiede ovviamente competenza e conoscenza sia sul fenomeno che si vuole simulare che sullo strumento di analisi utilizzato per modellarlo. RIVACOLD ha diverse competenze specifiche sul prodotto e sul fenomeno ma al momento non ne abbiamo molte su questo tipo di analisi.” ci confida Vitri “Per questo motivo abbiamo deciso di appoggiarci a chi ha già esperienza. Noi facciamo internamente qualche semplice simulazione, ma preferiamo appoggiarci o a delle università o come in questo caso, a una azienda come SmartCAE che lavora specificamente nell’ambito della simulazione al calcolatore. Questo perché volevamo essere sicuri di realizzare al meglio un modello della macchina aderente alla realtà. Noi siamo poi in grado, a posteriori, di verificare i flussi e questo è stato fatto per capire la bontà della simulazione.”

Giuseppe Vitri ci descrive brevemente come si è sviluppato il progetto e come è stato lavorare con SmartCAE “Lo sviluppo del progetto non si è limitato a fornire a SmartCAE delle informazioni e attendere il risultato. C’è stato un lavoro di collaborazione molto intenso, nel quale i dati e i modelli sono stati condivisi, analizzati e discussi mano a mano che il progetto andava avanti. Rivedere insieme e confrontarci sulla fisica del fenomeno, affatto banale da simulare, è stato l’effettivo valore aggiunto della collaborazione con SmartCAE. Ci siamo messi insieme a ragionare sugli eventuali risultati ottenuti, discutere degli effettivi valori o degli effettivi andamenti e analizzare se era stato approcciato tutto correttamente. È stato messo in discussione il modello per cercare di ottenere il comportamento fisico più corretto possibile.” Queste simulazioni hanno un grande valore per RIVACOLD in quando contribuiscono a formare il fascicolo tecnico della macchina. “Questi modelli vanno ad inserirsi a livello documentale dell’analisi dei rischi. Non si tratta di uno studio fine a sé stesso: l’analisi fa parte del fascicolo tecnico in termini di sicurezza. Non è una semplice simulazione, è una simulazione che sotto alcuni aspetti va a integrarsi e sostituire la sperimentazione. A causa della pericolosità delle prove non si riesce a testare tutte le possibili condizioni, specialmente per le macchine più grandi.”

L’utilizzo della simulazione fluidodinamica CFD ha permesso a RIVACOLD di valutare l’effetto di varie opzioni progettuali sulla sicurezza della macchina ben prima di realizzare il prototipo. Chiediamo a Vitri quali sono i principali benefici ottenuti da questo approccio. “Da questo metodo di lavoro abbiamo ottenuto diversi benefici. Per primo la riduzione di tempi di sviluppo. Grazie alla simulazione abbiamo evitato di realizzare certi tipi di prototipi che non avrebbero funzionato. Di solito per le macchine piccole, si fanno i prototipi e poi si modificano, ma le modifiche possono essere molto numerose: per ottenere la soluzione ottimale, possono essere necessari anche 10 o 15 cambiamenti.” “Grazie alla simulazione e all’approccio del Digital Twin del prodotto riusciamo a ottenere le informazioni che ci servono per guidare il progetto senza aver bisogno di realizzare il prototipo.
Questo ci permette di eliminare tutti i rischi legati alla gestione e manipolazione dei gas infiammabili nella fase di testing.”

Vitri conclude confermando che è molto soddisfatto della scelta effettuata.
“Siamo molto soddisfatti di aver trovato in SmartCAE il partner giusto per il nostro progetto. Non solo sono degli esperti della simulazione al calcolatore, ma il grande vantaggio è che non si limitano ad eseguire semplicemente le analisi richieste. Nel corso del progetto abbiamo avuto molte occasioni per confrontarci con gli esperti di SmartCAE. Questo scambio è stato di grande aiuto per realizzare un modello della macchina che fosse il più aderente possibile con la realtà. Il fatto di avere una mentalità aperta e di mettersi in discussione è stato un aspetto che ci è piaciuto particolarmente, per il quale consiglio il supporto di SmartCAE.”

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