Vaporizzatore di GNL di nuova generazione
Consorzio: IKM Flux, Jiskoot Solutions, Valland, Intertec, ToffeeX, EOS Additive Minds | Caso di studio
Come il design generativo e la produzione additiva in metallo consentono una riduzione superiore al 50% della variabilità delle misure
Per superare questi limiti, un consorzio intersettoriale che comprende IKM Flux, Intertec, Jiskoot Solutions, ToffeeX, Valland ed EOS ha sviluppato un vaporizzatore di GNL di nuova generazione.
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IKM Flusso: Oha supervisionato la progettazione e il collaudo del sistema di campionamento
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Intertec: Provided e certificato il riscaldatore integrato
- Jiskoot Soluzioni: S Sviluppo del concetto e leadership nella progettazione
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ToffeeX: Dha fornito il software di progettazione generativa
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Valland: Ha prodotto il componente utilizzando un EOS M 290 con alluminio AlSi10Mg lega di alluminio .
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EOS: Ha fornito la tecnologia AM e le competenze di progettazione per AM, consentendo al design generativo basato sulla fisica di diventare un componente certificato e pronto per l'uso sul campo.
Il risultato è un componente monolitico in alluminio prodotto con tecniche additive che integra canali di flusso a spirale ottimizzati, strutture di turbolenza controllate e cavità di isolamento sottovuoto. Durante l'implementazione sul campo presso il terminale GNL di Equinor a Hammerfest nel marzo 2025, il nuovo vaporizzatore ha ridotto la variabilità delle misurazioni GHV di oltre il 50%, dimostrando l'impatto sulle prestazioni dei sistemi termo-fluidici progettati digitalmente e prodotti con tecniche di produzione additiva in metallo.
Sfida
La vaporizzazione del GNL è un processo termodinamicamente sensibile. Il GNL entra nel vaporizzatore a circa -160 °C e deve essere completamente vaporizzato e surriscaldato per garantire un campionamento rappresentativo. I modelli tradizionali di vaporizzatori, basati in genere su concetti di riscaldamento coassiale e componenti lavorati in modo convenzionale, offrono un controllo limitato sulla distribuzione del flusso di calore, sui gradienti di temperatura e sul comportamento di fase lungo il percorso del flusso.
Di conseguenza, può verificarsi una vaporizzazione irregolare, che porta a una qualità instabile e distorce le misurazioni GHV e dell'indice di Wobbe. La caduta di pressione introduce un'ulteriore complessità: una perdita di pressione insufficiente riduce la turbolenza e l'efficienza del trasferimento di calore, mentre una caduta di pressione eccessiva influisce negativamente sul condizionamento del flusso. Le perdite di calore ambientali, in particolare negli impianti artici o offshore, destabilizzano ulteriormente le prestazioni del vaporizzatore.
La produzione convenzionale limita la geometria dei canali, l'integrazione dell'isolamento e la densità delle caratteristiche funzionali. Per ottenere un campionamento di GNL coerente e altamente accurato era quindi necessario riprogettare un vaporizzatore in grado di ottimizzare il trasferimento di calore, la stabilità della pressione, l'omogeneità del flusso e il contenimento termico all'interno di un sistema compatto e pronto per l'uso sul campo, pur rimanendo completamente producibile e compatibile con gli aggiornamenti.
Soluzione
Vaporizzatore di GNL progettato in modo generativo e realizzato con tecnologia AM in metallo
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Progettazione generativa basata sulla fisica
Il consorzio ha definito diversi obiettivi prestazionali correlati: massimizzare il trasferimento di calore in prossimità dell'interfaccia del riscaldatore, garantire una vaporizzazione rapida e completa, mantenere limiti di caduta di pressione definiti, ridurre al minimo la perdita di calore nell'ambiente e garantire la producibilità tramite AM metallico.
Utilizzando la piattaforma di progettazione generativa ToffeeX, questi obiettivi sono stati risolti attraverso simulazioni multifisiche che coprivano convezione, conduzione, distribuzione del campo di pressione e vincoli AM.
La geometria del flusso interno a doppia spirale risultante aumenta il tempo di permanenza del GNL nelle regioni riscaldate, inducendo al contempo una turbolenza controllata essenziale per una transizione di fase uniforme. Le caratteristiche di condizionamento e miscelazione del flusso sono emerse direttamente dal processo di ottimizzazione basato sulla fisica, piuttosto che essere introdotte manualmente dagli ingegneri. Questo approccio ha ridotto al minimo le regioni stagnanti e i fenomeni di flusso incontrollato, garantendo una qualità del vapore stabile su tutto il campo operativo. -
Isolamento integrato e design AM-First
Una caratteristica distintiva del nuovo design è l'integrazione di cavità di isolamento sottovuoto direttamente nella struttura portante del vaporizzatore. Ciò riduce significativamente la dispersione di calore nell'ambiente, fondamentale per un campionamento stabile del GNL in condizioni ambientali difficili, ed è realizzabile solo attraverso la produzione additiva.
Il componente è stato sviluppato secondo rigorosi Progettazione per la produzione additiva (DfAM). EOS Additive Minds ha supportato la creazione di un'architettura interna completamente autosufficiente che non richiede strutture di supporto interne durante la produzione additiva in metallo. Ciò garantisce una rimozione affidabile della polvere, riduce l'utilizzo di materiale e migliora la robustezza operativa a lungo termine.
La geometria ottimizzata dal punto di vista topologico è stata ricostruita utilizzando Rhino/Grasshopper, mentre le regioni interne del reticolo sono state generate tramite modellazione implicita in nTop ed elaborate in modo nativo all'interno del flusso di lavoro di costruzione EOS. -
Produzione su sistemi EOS
Il vaporizzatore è stato prodotto in AlSi10Mg utilizzando la tecnologia EOS di fusione laser a letto di polvere metallica. Mentre le prime fasi di sviluppo sono state realizzate su un EOS M 290, i componenti finali sono stati prodotti su un EOS M 400-4. Un parametro di spessore dello strato di 40 µm combinato con una strategia di salto dello strato ha consentito di ottenere un'elevata qualità della superficie, accelerando al contempo i tempi di costruzione grazie alla stampa delle aree centrali con un'altezza effettiva dello strato di 80 µm.
Nonostante l'altezza del componente di 279 mm e la sua complessa geometria interna, i parametri di processo ottimizzati hanno garantito un'eccellente precisione dimensionale, una qualità di stampa stabile e prestazioni termiche affidabili. Le porte di evacuazione della polvere sono state integrate direttamente nel design, consentendo la rimozione completa della polvere residua dai canali di flusso a spirale e dalle cavità di isolamento.
Il vaporizzatore finale è un unico componente monolitico in alluminio, senza saldature, giunti o supporti interni, testato a 150 bar(g) per soddisfare i severi requisiti della classificazione ATEX e pronto per un impiego industriale intensivo.
Vaporizzatore di GNL prodotto con tecniche additive
In AlSi10Mg, mostrato sezionato per rivelare i canali di flusso a doppia spirale progettati in modo generativo e le cavità di isolamento sottovuoto integrate.
Risultati
Durante i test sul campo condotti nel marzo 2025 presso il terminale GNL di Equinor a Hammerfest, il vaporizzatore prodotto con tecniche additive è stato valutato rispetto a un'unità tradizionale in condizioni operative identiche.
A portate fino a 1400 SL/ora, la deviazione standard delle misurazioni del potere calorifico superiore (GHV) è stata ridotta di oltre il 50%, indicando un significativo miglioramento della stabilità di vaporizzazione e della ripetibilità del campionamento. Il riscaldatore ceramico integrato da 500 W ha aumentato in modo affidabile la temperatura del GNL da -160 °C a circa +60 °C, mentre la geometria a spirale ottimizzata ha garantito una vaporizzazione rapida e completa. Gli operatori hanno segnalato la quasi totale eliminazione della deriva di misura e un comportamento dell'indice di Wobbe notevolmente più prevedibile durante i cicli di campionamento prolungati. Il vaporizzatore si è integrato perfettamente nell'infrastruttura di misura esistente, confermando la sua idoneità come soluzione di retrofit drop-in.
Questi risultati dimostrano che la produzione additiva in metallo e la progettazione generativa basata sulla fisica possono garantire miglioramenti prestazionali prima irraggiungibili con le tecnologie di vaporizzazione convenzionali.
Risultati e impatto sul settore
Il vaporizzatore di nuova generazione stabilisce un nuovo standard di riferimento in termini di precisione e affidabilità nel trasferimento di custodia del GNL. Il suo design compatto e modulare consente configurazioni sia con sonda montata che autonome, supportando nuove installazioni come retrofit in sistemi esistenti.
Integrando la gestione termica, il comportamento strutturale, le prestazioni di miscelazione e l'isolamento in un'unica geometria progettata digitalmente, la soluzione offre:
- migliore precisione di misurazione per il trasferimento di custodia del GNL
- maggiore conformità normativa
- maggiore affidabilità nella determinazione del contenuto energetico
- riduzione della variabilità operativa
- affidabilità a lungo termine grazie al design monolitico AM
Il successo dell'implementazione sul campo conferma che la produzione additiva in metallo è pronta per applicazioni regolamentate e critiche per la sicurezza nel settore energetico e del GNL, offrendo una nuova libertà di progettazione e miglioramenti misurabili delle prestazioni per i componenti termici e di controllo del flusso di nuova generazione. Il progetto dimostra come EOS consenta il passaggio dall'ingegneria basata sulla simulazione all'hardware industriale completamente certificato nel settore energetico globale.
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