Lo scambiatore di calore - MATERIALI COSTRUTTIVI

Lo scambiatore di calore

INTRODUZIONE

Con questa relazione vorrei stimolare il lettore in un percorso dove studieremo gli scambiatori di calore in tutti i loro aspetti.

Si definisce come tale, nella forma più generale, qualsiasi apparecchio costruito e adoperato per trasmettere il calore da un corpo all'altro, per lo più da un fluido ad un altro fluido. Non si può considerare scambiatore di calore un tubo annegato in un'opera muraria che trasporti dell'acqua calda da un punto all'altro della costruzione, anche se attraverso tale tubo si determina una trasmissione di calore (che in tal caso costituisce una perdita), mentre un'analogo tubo è senz'altro uno scambiatore di calore se esso è stato disposto in una soletta di cemento armato per fornire calore attraverso la soletta stessa, all'ambiente (impianti di riscaldamento a pannelli radianti), anche se esso concorre all'armatura della struttura di cemento.

Gli scambiatori di calore (anche se talvolta non esplicitamente indicati con questo nome) trovano vastissimo applicazione in tutte le industrie, particolarmente in quelle chimiche, petrolifere, alimentari, nelle centrali termoelettriche ed elettronucleari, nei trasporti, nella conservazione frigorifera, in tutte le applicazioni di riscaldamento e condizionamento dell'aria e così via.

CLASSIFICAZIONE DEGLI SCAMBIATORI

Gli scambiatori di calore si possono classificare secondo il principio di funzionamento, secondo l'applicazione e così via.

1. Scambiatori a miscela o a contatto, nei quali i due fluidi sono portati a diretto contatto fra loro;
2. Scambiatori di tipo rigenerativo o intermittente, nei quali un determinato materiale, ad esempio mattoni comuni o refrattari, viene portato alternativamente a contatto con una corrente di gas caldi, ai quali sottrae calore, e quindi con una corrente d'aria o di gas freddi ai quali cede calore, determinando una cessione di calore da un fluido all'altro, senza che essi abbiano a mescolarsi;
3. Scambiatori a superficie, nei quali una superficie metallica o di un'altro materiale separa i due fluidi che percorrono simultaneamente l'apparecchi ed è attraversata dal fluido all'altro: nel linguaggio tecnico la dizione " scambiatore di calore" e per lo più riferita a questa terza categoria di apparecchi e a questa si farà riferimento in seguito, salvo menzione contraria.

Lo scopo ottenuto mediante gli scambiatori li fa distinguere in refrigeratori, riscaldatori, evaporatori, condensatori, ecc . , mentre nelle applicazioni si usano i nomi più vari invalsi nell'uso più pratico, dove spesso si mette in evidenza non lo scambio termico, bensì l'operazione fisica o chimica che lo scambio termico permette di realizzare.Cosi accanto agli economizzatori, preriscaldatori, surriscaldatori, risurriscaldatori, dessuriscaldatori, rigeneratori, essiccatori, pastorizzatori, si hanno reattori, autoclavi, polimerizzatori, ebollitori, fermentatori, ecc . Si può dire che ogni processo tecnologico impiega oggi degli scambiatori di calore, dando luogo a una differenziazione non soltanto nel nome ma anche dei particolari di costruzione e di impiego.

Gli scambiatori di calore a superficie, nella grande maggioranza dei casi, se del tipo tubolare, nel senso che i due fluidi sono separati fra loro dalle pareti di tubi: in generale all'interno dei tubi scorre il fluido avente pressione più elevata, e ciò per ridurre lo spessore e il costo dell'involucro esterno. Il numero e la lunghezza dei tubi vengono determinati in modo da realizzare la superficie necessaria per trasmettere la quantità di calore richiesta con le differenze di temperatura disponibili, pur assicurando una sufficiente velocità ai fluidi in movimento: se i tubi sono molto corti si realizza una disposizione con piastre tubiere e camere esterne di raccolta; se i tubi sono pochi e lunghi si adotta invece la forma costruttiva con serpentine che fanno capo a tubi collettori. Per accelerare il moto del fluido che si trova all'esterno dei tubi, migliorando il coefficiente di trasmissione, si fa spesso uso di diaframmi di guida che obbligano il fluido stesso a percorrere il cammino più favorevole all'utilizzazione razionale delle superfici. I tubi possono essere mandarinati (in altre parole espansi e forzati per mezzo di una spina conica o di un mandrino a rulli) ovvero saldati alla piastra tubiera: a volte si usa un collegamento a mezzo di guarnizioni di amianto, (ora scoperto cancerogeno) gomma, cuoio, fibre tessili o materie plastiche, tenute in posto da una ghiera filettata, allo scopo di permettere un certo movimento relativo fra le parti, dovuto alla loro diversa dilatazione termica.

Per riscaldare fluidi densi, ad esempio la nafta, si usano spesso apparecchi costituiti da due tubi concentrici: nel tubo interno circola il fluido da riscaldare e nell'intercapedine il vapore riscaldante. Se uno dei due fluidi ha un coefficiente di trasmissione molto diverso dall'altro, risulta conveniente ricorrere a tubi alettati, per lo più all'esterno: la maggior superficie esterna, per effetto delle alette, compensa il minor coefficiente di trasmissione, ad esempio dell'aria o di un gas, rispetto all'acqua o il vapore che si ha dentro il tubo. Le alette sono fissate al tubo mediante saldatura o forzatura meccanica con sistemi automatici molto economici, o qualche volta, sono ricavate per fusione.

MATERIALI COSTRUTTIVI

In linea generale, poiché uno scambiatore serve per trasmettere calore e poiché sono limitati gli accorgimenti che aumentano i coefficienti a (ovvero i coefficienti che determinano la facilità con cui il calore passa attraverso un corpo), ossia si ridurre le resistenze  R offerte dai fluidi, si usano metalli per i quali le conducibilità l sono elevate , gli spessori s possono essere tenuti piccoli (dell' ordine dei millimetri) e quindi possono essere mantenute piccole le resistenze R_p= s/ l.

Circa le scelte dei metalli, i principali fattori da tenere in considerazione sono il costo e la resistenza alla corrosione. Quest'ultima ha un duplice aspetto: da un lato occorre che l'apparecchio non diventi rapidamente inutilizzabile nelle condizioni da lavoro che deve sopportare, per ragioni economiche, e dall'altro che i prodotti della corrosione non inquinino la sostanza da trattare, specialmente nel caso di prodotti  alimentari, farmaceutici, coloranti, ecc

Sono pertanto usati l'acciaio inossidabile e l'alluminio. A seconda delle sostanze da trattare s'impiegano altresì rame, nichel (sotto forma di placcatura o di nichelatura a causa del suo costo), acciai speciali, bronzi di alluminio, ferro smaltato o rivestito con resine (resine epossidiche, uretani)

Si è già detto dell'uso di mattoni refrattari e si ricorre anche a impasti speciali di grafite.

Gli involucri e le testate esterne sono per lo più in acciaio, talvolta in rame, ghisa o acciaio inossidabile: le piastrine forate a cui vanno saldati o mandarinati i tubi, sono in generale di acciaio o di ottone speciale.

In casi più particolari può essere conveniente ricorrere all'uso di materiali ceramici, vetro, metalli, preziosi, grafite, zirconio, tantalio, titanio, e così via.

ELEMENTI COSTRUTTIVI

Gli scambiatori più diffusi sono  quelli a fascio tubiero (shell and tube). Sono classificati pure ai metodi usati per ridurre le sollecitazioni termiche fra tubi e involucro (mantello). La scelta dipende dal costo, punibilità, temperature, pressioni, pericolosità dei fluidi.

Nella ura di seguito sono rappresentati alcuni tipi di scambiatori di calore.

Giunto di dilatazione

il secondo scambiatore di calore è a piastre tubiere singole es è usato per soluzioni semplici ed economiche; esso ha come svantaggi elevate sollecitazioni termi9che fra tubi e mantello che allentano i giunti dei tubi ( solitamente mandarinati nelle piastre tubiere) e l'impossibilità di pulire meccanicamente l' esterno dei tubi. Per pressioni inferiori a 1.5 Mpa le sollecitazioni si possono ridurre mediante un giunto di dilatazione, come mostra lo scambiatore numero 4. con il sistema a testa flottante (scambiatore numero 1) si eliminano le sollecitazioni e si rende estraibile per la pulizia il fascio tubiero; svantaggio principale è la possibilità di guasti della guarnizione interna della testa flottante. Il terzo scambiatore rappresenta uno scambiatore con fascio ripiegato (o scambiatore a chioma) è smontabile ed estraibile, in più elimina le sollecitazioni termiche. L'unico svantaggio è la difficoltà di manutenzione  la difficoltà di pulizia. La scelta del fluido ch deve passare all'esterno dei tubi (lato mantello) influenza la scelta del tipo di scambiatore per i seguenti fattori.

1. Pulibilità: il lato mantello è difficile da pulire, e richiede il fluido meno sporcante.
2. Corrosione: per pericolo di corrosione può imporsi l'uso di leghe costose. In questo caso il fluido corrosivo si fa passare nei tubi per risparmiare il maggior costo del mantello in lega speciale.
3. Pressione: il mantello, dato il grande diametro, richiede pareti molto spesse e quindi costose; perciò il fluido a pressione maggiore è disposto entro i tubi del fascio.
4. Temperatura: il fluido a più alta temperatura deve passare nei tubi se diventa sensibile la riduzione di sollecitazione ammissibile del materiale, che ha effetto simile alla pressione nel determinare lo spessore del mantello.
5. Fluidi pericolosi e costosi: si dispongono dal lato interno dei tubi, che garantisce maggior sicurezza contro le perdite.
6. Perdita di carico: se essa è un fattore critico, per determinarla più esattamente il relativo fluido viene disposto interno ai tubi.

Il percorso del fluido lato mantello è ottenuto con dei diaframmi (ura seguente A). il tipo di diaframma più utilizzato è quello a segmenti (ura seguente parte B), che vengono disposti alternativamente ruotati di 180 gradi. Il tipo a strisce (ura seguente parte C) è simile, ma più adatto per grandi portate. Meno usato è il tipo a disco e corona (ura seguente parte D). per costituire il fascio i tubi sono disposti ai vertici di un reticolo poligonale a maglie triangolari, quadre o rombiche (ura seguente parte E).

La relazione tra il numero di tubi e diametro d'ingombro del fascio entro il mantello è riportata nella tabella seguente.(valida solo per la disposizione equilatera). L'unità di misura

è il lato dl triangolo

ESERCIZIO E MANUTENZONE

Se gli scambiatori sono esposti ad alte temperature, nonostante gli accorgimenti per assicurare la libera dilatazione delle diverse parti, sono necessarie alcune precauzioni in fase di avviamento: va introdotto per primo il fluido più  freddo, poi gradualmente il fluido più caldo, fino a che scambio non sia a regime. Poi nella fase di arresto si deve procedere inversamente, ma sempre lentamente, avendo cura di essiccare l'apparecchio e scaricando l'acqua in esso contenuta se vi è pericolo di gelo.

Per quanto riguarda la manutenzione, il punto fondamentale è la pulizia allo scopo di diminuire la resistenza dovuta all'insudiciamento, poiché, ciò influisce molto negativamente nel funzionamento di uno scambiatore. La pulizia può essere effettuata meccanicamente, per mezzo di spazzole o scovoli o, infine, mediante una vera e propria sabbiatura oppure chimicamente, senza smontare l'apparecchio, utilizzando soluzioni alcaline o acide, a seconda  della natura delle incrostazioni da eliminare, in concentrazioni adatte, e mescolate a inibitori tali che le parti metalliche dell'apparecchio non vengano attaccate.

Ecco una tabella che mostra la resistenza termica delle incrostazioni.

La pulizia periodica richiede che lo scambiatore dia accessibile in ogni parte attraverso aperture normalmente chiuse da coperchi flangiati. Negli apparecchi in cui scorrono fluidi a pressione molto elevata, per evitare collegamenti a flangia troppo complessi e sicuramente costosi, si preferisce l'uso di collegamenti saldati, predisponendo i necessari accorgimenti per facilitarne il taglio e la successiva risaldatura in caso di smontaggio.

Durante l'esercizio normale vanno posti in atto tutti quegli accorgimenti atti a ridurre la frequenza e il costo delle operazioni di pulizia. Se uno dei fluidi è acqua industriale, opportune aggiunte di reagenti chimici servono a ridurre la formazione di depositi sia chimici sia vegetali o animali ( microrganismi). Se vi sono tubi alettati investiti da aria o gas, si cerca di ridurre il contenuto di polveri sospeso nel fluido e si predispongono soffiatori a getto di vapore o di aria compressa per eliminare i depositi che, riempiendo l'interstizio fra le alette, neutralizzerebbero l'efficacia delle alette stesse agli affetti della trasmissione del calore.

IL NOSTRO CASO:

Anche noi abbiamo realizzato uno scambiatore tenendo presente tutti gli accorgimenti possibili descritti nei paragrafi precedenti. Abbiamo scelto di realizzare uno scambiatore a fascio tubero semplice. Ecco una piccola descrizione dello scambiatore da noi scelto.

SCAMBIATORE A FASCIO TUBIERO:

Essi hanno il fascio tubiero costituito da un certo numero di tubi in paralleli e fissati,

Normalmente mediante mandrinatura, ad un'unica piastra. Il fascio è contenuto in un metallo cilindrico, cui è fissato mediante viti e bulloni di conseguenza è facilmente estraibile per la manu

Tenzione, mentre dalla parte opposta viene accoppiato alla testata o gruppo distributore per l'alimen

tazione e lo scarico del fluido circolante all'interno dei tubi. Gli attacchi di entrata e uscita del secondo fluido, circolante all'esterno dei tubi, sono ricavati sul mantello. Per ottimizzare il salto

termico tra i due fluidi nonché il coefficiente di trasmissione, il fascio tubiero è provvisto di diaframmature perpendicolari ai tubi e il fluido all'esterno dei tubi attraversa il mantello una sola

volta. In casi particolari può essere previsto un diaframma orizzontale in modo che, all'esterno dei tubi, il mantello sia attraversato due volte.

Inoltre bisogna specificare che i fluidi possono scorrere in due direzioni, controcorrente ed equicorrente. Il tutto dipende se i due fluidi si fanno scorrere, rispettivamente,  in versi opposti o nello stesso verso. A prima vista può sembrare indifferente, ma nella progettazione ciò avrà un peso non indifferente.

Il distributore può essere del tipo a due assi, utilizzato quando il fluido circolante nei tubi attraversa il fascio una sola volta nei due sensi, oppure a quattro passi quando, sempre allo scopo di ottimizzare lo scambio termico, il fascio tubiero è attraversato in due tempi. Per le sue caratteristi-

che costruttive questa famiglia di scambiatori può essere impiegata con fluidi sia ad alta temperatu-

ra che pressione e costruita con i più svariati materiali purché disponibili in tubi e lamiere.

E' molto importante che lo scambiatore di calore sia impiegato per le condizioni di esercizio

(pressioni e temperature) ed i fluidi per cui è stato calcolato sia meccanicamente che termicamente.

Con condizioni di esercizio diverse da quelle di progetto cambiano le prestazioni dello scambiatore

ed in alcuni casi si possono verificare danni anche molto gravi per l'apparecchio. Occorre in particolare controllare che le portate dei fluidi siano entro i limiti di progetto per evitare vibrazioni ed in certi casi l'erosione delle parti più esposte all'azione dinamica dei fluidi.

L'installazione di norma deve essere orizzontale e con il giusto orientamento degli attacchi.

La mancata osservanza di questa norma può causare delle difficoltà per la disaerazione e il drenaggio dello scambiatore. Nel montaggio prevedere gli spazi necessari per l'estrazione e la manutenzione del fascio tubero (vedi paragrafo "manutenzione"). L'installazione deve inoltre essere eseguita in modo che allo scambiatore non siano trasmessi, attraverso gli attacchi di collegamento all'impianto, sforzi dovuti a carichi statici, dinamici o derivati da dilatazioni termiche.

PROGETTAZIONE:

In questa parte si spiegherà la metodologia per dimensionare uno scambiatore a fascio tubiero.

Il calcolo delle superfici di uno scambiatore di calore è basato sulla nota formula della trasmissione del calore:

in cui q è la quantità di calore scambiata in un'ora, A è la superficie di scambio, Dt_m è la differenza di temperatura , essa dipende dalla temperatura dei due fluidi,. Il pedice m indica che questa non è una semplice differenza, essa infatti è logaritmica, ed assume due formule diverse a seconda che sia uno scambiatore controcorrente o equicorrente.

Nel caso equicorrente:

Nel caso controcorrente:

Nel primo caso la differenza è minore della media aritmetica delle differenze, nel secondo caso la differenza di temperatura è maggiore di quella nel caso di equicorrente. Quindi si deduce che a parità di potenza termica (ovvero la quantità di calore scambiata nell'unità di tempo) e degli altri parametri con uno scambiatore controcorrente la superficie di scambio è minore in confronto con uno equicorrente.

Modello equicorrente    Modello controcorrente

							T1			T2
	T1			T2

È da notare però che, come si vede dai modelli sopra rafurati, che in uno scambiatore equicorrente i due fluidi vengono messi a contatto con una differenza di temperatura molto maggiore rispetto ad uno stesso scambiatore controcorrente. Ciò è dovuto dal fatto che nel caso di uno scambiatore equicorrente i due fluidi vengono messi a contatto quanto il fluido freddo è nello stadio di più bassa temperatura, e il fluido caldi nel suo stadio di più alta temperatura.

Tutto questo è impostante perché con una differenza di temperatura maggiore corrisponde ad un'entità scambio termico più elevata.

A dimostrazione del concetti appena espresso

Il nostro scambiatore di calore.

Il nostro gruppo a provato a realizzare uno scambiatore di calore a fascio tubero (acqua-acqua) tenendo conto di tutte le caratteristiche e gli avvertimenti che abbiamo avuto modo di spiegare nei paragrafi precedenti.

Ecco il modello di scambiatore con le relative quote.

Per realizzarlo abbiamo tenuto conto dei materiali a nostra disposizione, così abbiamo utilizzato un mantello costituito di ferro, con un coefficiente di conducibilità termica relativamente basso, il fascio tubiero in rame, i deflettori in ferro, e i vari raccordi tutti in ferro.

Abbiamo tenuto conto della facilità di pulizia dello scambiatore, e quindi di quante saldature dovevano essere fatte, e preferire ad utilizzare collegamenti di tipo mobile a quelle di tipo semi-mobile o fisse.

Con questo spero che abbiate imparato qualcosa sugli scambiatori e sulla loro vasto impiego in tutti campi oltre quello dell'industria.