Gli scambiatori a piastre per progetti in cui lo scambiatore dovrà lavorare a contatto con acqua di mare, con attacchi flangiati, impongono infatti che sia le piastre che le connessioni siano realizzate in titanio o acciaio duplex, con body in acciaio al carbonio e guarnizioni in EPDM, per resistere alle condizioni di esercizio con elevato grado di corrosione e basse temperature fino a -40 °C.

In condizioni di basse temperature, inoltre, la scelta dello scambiatore a piastre adatto richiede un calcolo meccanico dedicato. Con le basse temperature cambiano infatti classe di pressione e spessori dei materiali da utilizzare. Per questa tipologia di condizioni operative, una soluzione interessante può quindi essere rappresentata dagli scambiatori PCHE (printed circuit heat exchangers), grazie all’elevata resistenza meccanica e strutturale che questa speciale tipologia di scambiatori offre. Il processo di costruzione per diffusion bonding, o saldatura allo stato solido, conferisce infatti agli scambiatori PCHE un’eccellente resistenza strutturale del pacco piastre, facendone una soluzione molto adatta per applicazioni spinte quali possono essere la compressione di gas o gli ambienti subsea.

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La soluzione più semplice e meno invasiva per questa specifica applicazione è stato uno scambiatore TCOIL in acciaio inox immerso direttamente nella vasca. La soluzione non ha richiesto alcuna modifica alla macchina, permette lo scambio a contatto diretto con l’olio, e lo scambiatore viene alimentato con acqua di torre, chiller o pozzo.

Molteplici sono quindi i vantaggi offerti dalla soluzione proposta da Tempco per l’applicazione:

• Installazione minima: lo scambiatore a immersione TCOIL si inserisce nella vasca dell’olio da taglio, senza bisogno di modifiche alla macchina né tubazioni di processo aggiuntive.
• Contatto diretto con il fluido: lo scambio di calore avviene direttamente nell’olio, senza pompe o circuiti secondari lato processo.
• Materiali su misura: acciaio inox AISI 304/316 per resistere a olio, emulsioni e ambienti aggressivi.
• Alimentazione flessibile: la serpentina può essere alimentata con acqua di torre, di chiller o di pozzo; conoscere temperatura e disponibilità dell’acqua di raffreddamento è determinante per il dimensionamento.

Infine, il segreto di una soluzione che funziona, garantendo massima efficacia nel raffreddamento ed efficienza, sta a monte: misurare il carico termico reale (volume, ΔT, ore di lavoro) e dimensionare di conseguenza. A tal fine, prima di sviluppate la proposta, il team tecnico di Tempco procede sempre a un sopralluogo presso il cliente.

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Nello specifico, come indicato nei documenti, sono infatti necessari e sufficienti 5 dati:
 in particolare, i dati ‘must have’, indispensabili per iniziare il dimensionamento, sono quelli relativi al calcolo termico:

• Temperature di ingresso e uscita del fluido primario
• Portata del fluido primario
• Temperature di ingresso e uscita del fluido secondario
• Portata del fluido secondario
• Pressione del fluido (fondamentale nel caso di gas)

La potenzialità è un altro dato importante per il dimensionamento termico dello scambiatore. Tuttavia, se si hanno gli altri 5 dati, questa può essere calcolata a partire da quei cinque.

Gli altri dati, elencati sotto la voce “DATI UTILI PER IL CALCOLO COSTRUTTIVO DEGLI SCAMBIATORI”, sono quindi utili per una progettazione più precisa e completa, ma non sono indispensabili per un primo calcolo termico:

• Tipo di fluidi
• Temperatura max. di esercizio
• Pressione max. di esercizio
• Sovradimensionamento % (margine)
• Perdite di carico ammissibili (primario e secondario)
• Viscosità dei fluidi
• Peso specifico dei fluidi
• Coefficiente di trasmissione
• Coefficiente di sporcamento

In sintesi, per avviare il dimensionamento, è fondamentale fornire almeno 5 dati termici tra quelli indicati, inclusa la pressione se si tratta di un gas. Gli altri dati sono utili per definire al meglio le caratteristiche costruttive dell’apparecchio, ma non sono indispensabili in una fase iniziale.

È importante ricordare che, in caso di fluidi speciali, è necessario contattare direttamente Tempco, come specificato anche nel documento.

REGOLA DELLE CINQUE DITA

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Il progetto rappresenta una milestone fondamentale, segnando l’ingresso degli scambiatori di calore PCHE nelle applicazioni per il comparto petrolifero offshore, dopo le diverse soluzioni già sviluppate nel settore delle energie green e rinnovabili e in particolare dell’idrogeno. Dopo la firma del contratto a fine dello scorso ottobre con Rosetti Marino, per lo sviluppo e la produzione di uno scambiatore a circuito stampato PCHE destinato al raffreddamento di gas acido da idrocarburi nel nuovo modulo di recupero gas installato su una piattaforma offshore al largo delle coste della Libia, Microchannel Devices è ora molto lieta di annunciare l’avvio del progetto e di condividere maggiori dettagli in merito.

Rosetti Marino è tra i più importanti operatori EPC (Engineering, procurement & construction) attivi nel settore Oil&Gas per piattaforme petrolifere. La società era alla ricerca di un costruttore di scambiatori PCHE di grandi dimensioni che fosse in grado di realizzare entro la metà del 2025 uno scambiatore conforme agli stringenti requisiti della normativa ASME per applicazioni con gas ‘letali’.

La commessa ha preso abbrivio grazie al supporto commerciale di Tempco, e l’intenso lavoro del team di MCD ha portato in poche settimane a definire un concept di PCHE in grado di soddisfare tutti i requisiti posti dalla normativa ASME nonché dall’utilizzatore finale ENI, da Saipem (main contractor) e RINA (ente terzo ispettivo). Preziosa è stata a tale riguardo anche la disponibilità del referente ASME di ICIM.

Remdering dello scambiatore PCHE di grandi dimensioni per piattaforma oil & gas offshore

MCD è quindi al lavoro per realizzare il suo primo scambiatore PCHE per Oil&Gas offshore, che avrà una lunghezza di oltre 3 metri e un peso di più di 8.000 kg. Lo scambiatore sarà composto da 5 blocchi di piastre fotoincise, saldati con tecnologia di diffusion bonding mediante cordoni di saldatura di geometria specifica, appositamente studiati per consentire un controllo al 100% mediante raggi gamma.

Il dimensionamento dello scambiatore è stato supportato da prove termofluidodinamiche su provini dedicati. Le prove di collaudo comporteranno la capacità di testare un recipiente in grado di contenere centinaia di litri di gas o acqua, e di gestire portate nell’ordine dei 200.000 litri/ora. Perfettamente adeguati alla commessa si sono quindi dimostrati gli impianti di lavorazione di cui MCD si è dotata nel 2024, che includono una macchina di taglio e un centro di lavoro a cinque assi per le lavorazioni meccaniche dei blocchi, entrambe in grado di lavorare su masse di grandi dimensioni, e una seconda linea di incisione che in sei settimane consentirà di realizzare tutte le 2.600 piastre canalizzate necessarie per la costruzione dello scambiatore.

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Chiaramente, il fouling factor dipende dal tipo di fluidi che circolano all’interno dello scambiatore: avendo fluidi puliti ovviamente non ci sono problemi di sporcamento e quindi è possibile dimensionare lo scambiatore in modo molto preciso sulle condizioni di lavoro, non considerando troppo il possibile effetto di sporcamento con la conseguente riduzione della superficie di scambio termico.

Quando invece i fluidi impiegati possono essere sporchi, allora occorre considerare attentamente il fattore di sporcamento. Esistono quindi diversi tipi di fouling: c’è il fouling che comporta un effetto incrostante, tipicamente in presenza di fluidi che si attaccano sulle superfici di scambio termico. E questo è probabilmente il caso peggiore. Altrimenti, si può avere uno sporcamento dovuto a particelle solide nei fluidi che circolano nello scambiatore. Quando sono coinvolti fluidi con particelle solide in sospensione esiste una serie di strategie da attuare per evitare l’intasamento dello scambiatore. Su tutte, la filtrazione. Chiaramente i filtri rappresentano un collo di bottiglia per lo scambio termico in quanto riducono la portata dell’acqua, comportano perdite di carico e quindi richiedono una maggiore pressione di pompaggio, ma sicuramente proteggono lo scambiatore dallo sporcamento.

Ovviamente, ci sono anche particelle solide sospese che possono essere molto piccole e che rappresentano una sfida anche per un buon filtro. Ad esempio quando si utilizza un tipo di acqua con particelle solide in sospensione piuttosto pesanti, come sabbia, trucioli metallici o pulviscolo. Quello che si può fare è cercare di ridurre lo sporcamento interno dello scambiatore, e parliamo di scambiatori a piastre, facendo entrare il fluido dal basso. In questo modo le particelle pesanti tendono a depositarsi sul fondo del bocchello, non sporcando quindi tutta la piastra e consentendo pertanto di allungare i periodi di manutenzione.

In altro caso, lo sporcamento può essere dovuto a incrostazione, pensiamo ad esempio al calcare o alle resine, nonché a prodotti grassi che si attaccano alle superfici di scambio termico delle piastre. In questo caso l’unica soluzione possibile è un intervento di lavaggio. Un lavaggio che può essere effettuato in diversi modi, ad esempio con un cleaning in place o anche smontando lo scambiatore per una pulizia più accurata utilizzando un’idropulitrice, una spazzola o con dei prodotti detergenti.

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La necessità di calcolare con cura la quantità di refrigerante naturale pone infatti una grande sfida nella progettazione dei prodotti, rendendo ancora più cruciale il calcolo del volume dello scambiatore di calore.

In particolare, l’articolo rimarca come le prestazioni di una pompa di calore siano correlate a fattori quali l’area di trasferimento del calore (HTA), il coefficiente di trasferimento del calore (U) e il delta T medio logaritmico (LMTD) dello scambiatore di calore. Tuttavia, la regola di dimensionamento del sistema è complessa, poiché comprende anche altri fattori, quali carica di refrigerante, aggiustamento del surriscaldamento della valvola di espansione, volume del lato refrigerante e perdite di carico dello scambiatore di calore, ed è impossibile considerare un solo parametro.

Considerando la sostituzione di uno scambiatore di calore saldobrasato di un’altra marca con uno scambiatore Kaori, occorre quindi tenere presente che:
1.     Il valore dichiarato a catalogo e il valore effettivo del volume del prodotto di altri marchi possono differire, è pertanto consigliabile utilizzarlo solo come riferimento. Inoltre, se nello scambiatore di calore è installato un distributore di refrigerante, ciò potrebbe influire sul valore del volume effettivo. Pertanto, il volume esatto può essere misurato dopo il riempimento con acqua.

2.     Il volume dello scambiatore di calore non dovrebbe essere il criterio principale per procedere alla sostituzione; dovrebbero invece essere considerati i parametri di sistema rilevanti corrispondenti.

Un esempio pratico a tale riguardo può aiutare: una marca XXH62-60 (volume lato refrigerante circa 2,73 L) corrisponde allo stesso volume di uno scambiatore a piastre saldobrasato Kaori R111, il quale richiede 66 piastre, con un conseguente numero totale di piastre e area di scambio termico totali in eccesso (+18%). Inoltre, la portata del refrigerante diminuisce, la temperatura satura di evaporazione aumenta a causa della caduta di pressione e, se la valvola di espansione e il volume del refrigerante non corrispondono, ciò può influire negativamente sulle prestazioni finali.

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L’occasione per tornare sull’argomento viene dalla recente esperienza fatta con l’applicazione di un nostro cliente, che ci aveva chiesto un fouling factor normalmente associato agli scambiatori a fascio tubiero. Il risultato è stato letteralmente micidiale, in quanto il dimensionamento dello scambiatore a piastre con valori da fascio tubiero ha portato a un rallentamento delle velocità dei fluidi all’interno dello scambiatore, con un aumento dello sporcamento che ha quindi ridotto drasticamente l’efficienza di scambio termico.

La soluzione al problema che abbiamo adottato è stata quindi quella di togliere un 30% delle piastre nello scambiatore, ritornando così a un valore di fouling factor più corretto e adatto a uno scambiatore di calore a piastre.

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Questi dati sono: il fluido da riscaldare e la sua portata; la temperatura di ingresso del fluido, ossia a quale temperatura giunge dal processo; la sua temperatura in uscita, ovvero a che temperatura dobbiamo restituire il fluido al processo; fluido di servizio, quanto fluido di raffreddamento o di riscaldamento si ha a disposizione, espresso in portata (kg/ora, metri cubi/ora); e la temperatura del fluido di servizio alla quale viene reso disponibile.

Cinque dati, cinque dita: con questi cinque dati è possibile calcolare un bilancio termico, ricavando pertanto tutti i parametri necessari a dimensionare lo scambiatore. Partiamo ovviamente dal presupposto di conoscere già il tipo di fluido che utilizziamo, avendo a che fare per esempio con uno scambiatore acqua/acqua, o acqua/olio o vapore/acqua.

Si potrebbe quindi obiettare che occorre conoscere le perdite di carico. Ma ammettiamo di avere già un fluido a una determinata pressione, questo ci consente di definire già un certo valore delle perdite di carico. Solitamente è un valore che viene fornito dal cliente, e nel caso così non fosse, indicheremo noi le perdite di carico ideali affinché lo scambiatore funzioni al meglio. Diversamente, il cliente ci chiederà di rifare il calcolo con le perdite di carico disponibili in funzione della pompa o della pressione del fluido disponibile.

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La cosa è presto detta: quando si vanno ad aumentare le perdite di carico ammesse nel flusso dei fluidi all’interno di uno scambiatore, ovvero le perdite di carico nell’acqua che circola nel mantello o nei tubi, o sulle due facce di scambio termico di uno scambiatore a piastre, si ottiene un miglioramento delle prestazioni. Questo perché, a parità della sezione dello scambiatore, nel momento in cui aumentiamo le perdite di carico significa che stiamo aumentando la portata. Ancora meglio, nel momento in cui accettiamo perdite di carico superiori, vuol dire che possiamo ridurre la sezione di passaggio dei fluidi e quindi aumentarne la velocità.

Questo comporta un moto più turbolento dei fluidi, che all’interno di uno scambiatore significa avere un aumento delle collisioni tra le particelle del fluido e pertanto un coefficiente di scambio termico superiore. Per cui aumenta la resa di trasferimento di calore dello scambiatore.

La stessa cosa può essere fatta con uno scambiatore pre-esistente, dove per migliorarne le prestazioni è possibile aumentare la portata, il che corrisponde in maniera abbastanza lineare a un aumento delle perdite di carico e quindi delle prestazioni dello scambiatore di calore.
Il piccolo trucco vale come suggerimento nella fase di progettazione degli scambiatori di calore, siano essi scambiatori a piastre o scambiatori a fascio tubiero, e in generale per qualsiasi tipologia di scambiatori.

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Abbiamo parlato spesso in passato di applicazioni di raffreddamento e recupero di calore nei compressori, specie dall’olio lubrificante che in circolo nei compressori d’aria raggiunge temperature che si prestano molto bene al recupero energetico.

Questo particolare scambiatore di calore a piastre serve invece al raffreddamento dell’aria compressa, un tipo di applicazione di cui in Tempco abbiamo già diverse referenze. Gli scambiatori offrono infatti nel raffreddamento dell’aria compressa l’ottima resa termica delle piastre, consentendo una perfetta efficienza per i raffreddamenti spinti presenti in questo ambito.
Fondamentale in queste applicazioni è che ci si possa permettere un valore di perdita di carico adeguato, altrimenti il dimensionamento risente in maniera inevitabile dei limiti idraulici di passaggio fra le piastre. La resa è però decisamente notevole dal punto di vista termico.

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