Data la particolarità dell’applicazione, vengono utilizzati scambiatori a fascio tubiero in quanto gli scambiatori a piastre saldobrasati hanno un limite di temperatura di lavoro di 200° C. Esistono anche modelli che possono lavorare a temperature più elevate, ma presentano costi e limiti in termini di pulizia e sporcamento che ne comprometterebbero l’uso con olio diatermico in queste condizioni estreme di alta temperatura.

Per garantire il pieno controllo sugli standard costruttivi e sulla pronta disponibilità di questi speciali scambiatori a fascio tubiero TCFT HT per olio ad alta temperatura, abbiamo deciso di portarne la costruzione al nostro interno, e di commercializzarli per mettere a disposizione del mercato un apparecchio che difficilmente si trova quando le condizioni di lavoro diventano così estreme.

Gli scambiatori TCFT HT esistono in versione full inox e con la possibilità di realizzare il mantello in acciaio al carbonio. Nella brochure qui sotto sono riportate in maggior dettaglio tutte le caratteristiche tecniche di questi scambiatori.

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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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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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Nel piccolo video che postiamo qui, si vede invece uno scambiatore di calore a fascio tubiero disegnato per una piccola portata e per consentire un incrocio delle temperature e un recupero di calore. Come si può vedere, è uno scambiatore molto lungo, con tubi della lunghezza di ben 6 metri. Lunghezza richiesta dal fatto che, a fronte di una bassa portata, dobbiamo fare un incrocio delle temperature e ottenere un recupero termico, che per uno scambiatore a fascio tubiero è un lavoro alquanto difficile.

Il fatto è non c’era alternativa per un problema di sporcamento, in quanto il cliente dispone di un fluido molto sporco e carico di sospensioni. Ragion per cui si è dovuto scegliere uno scambiatore a fascio tubiero con tubazioni molto lunghe, che consentissero di inserire uno scovolino per la pulizia interna dei tubi. Uno scambiatore a piastre avrebbe infatti portato a una manutenzione troppo intensiva con interventi molto ravvicinati nel tempo.

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Diversi sono infatti gli accorgimenti nevessari negli scambiatori che vengono inseriti in processi dell’industria petrolchimica, per garantirne la resistenza dello scambiatore alle condizioni severe di lavoro:

• Cicli di verniciatura anticorrosione (C5 M…)
• Targhette in acciaio inox
• Connessioni linea in AISI 316
• Coefficienti di sicurezza termica aumentati (fouling factor adeguati)
• Punti di messa a terra
• Dichiarazioni di idoneità per installazione in area ATEX
• Certificazioni dei materiali

Tutte queste caratteristiche riguardano quindi sia la costruzione dello scambiatore, e la stessa scelta dei materiali, sia i calcoli di progettazione e tutta la documentazione a supporto, che che devono garantire la funzionalità e la conformità dello scambiatore alle condizioni impegnative dell’ambiente industriale di destinazione.

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Nel caso degli scambiatori di calore a piastre, la manutenzione preventiva porta quindi indubbi vantaggi anche in termini di risparmio energetico, in quanto permette di sfruttare lo scambio termico alla massima efficienza, basata sui dati di progetto dell’impianto.

Il monitoraggio di alcuni parametri chiave consente nello specifico di valutare il momento in cui è utile procedere ad una manutenzione:

• aumento del valore delle perdite di carico, rispetto ai valori di progetto
• diminuzione delle prestazioni a livello delle temperature rispetto ai valori di progetto

Questi sono i due parametri da tenere sotto controllo per determinare se lo scambiatore necessita di una pulizia. Questi valori sono validi per qualsiasi tipo di scambiatore di calore: è infatti chiaro che a parità di portata lo sporcamento e le incrostazioni provocano un aumento delle perdite di carico, ovvero della differenza di pressione tra ingresso ed uscita del fluido. Inoltre lo ‘spessore’ delle incrostazioni ha un effetto per così dire isolante, portando a un decadimento del coefficiente di scambio termico nello scambiatore.

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Dopo la pulizia dalle incrostazioni di calcare, si è proceduto con la fase di controllo con liquidi penetranti, che vedete in queste foto a ‘luce bluastra’. Questo passaggio è cruciale per individuare ed evidenziare le cricche, ovvero le rotture, a carico delle piastre (le zone più chiare).

La rigenerazione degli scambiatori ha quindi interessato anche la parte dei fusti, con la rimessa a nuovo dei bocchelli e dei relativi rivestimenti.

I tempi concessi per l’intervento erano molto stretti. Il cliente, infatti, dopo il rallentamento della produzione durante il periodo di lockdown, doveva essere pronto per la fase di ripartenza. Siamo quindi riusciti a rispettare le sue richieste, e tutto il lavoro è stato svolto durante due settimane di agosto, tutto pronto per la ripresa della produzione alla riapertura che è stata frenetica.

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E’ possibile distinguere sostanzialmente quattro meccanismi di sporcamento, di tipo chimico, biologico, da deposizione e da corrosione.

Fouling chimico
Qui rientrano quei fenomeni di deposizione di sostanze che si generano per reazione chimica nei fluidi di processo al raggiungimento di determinate temperature. Esempio possono essere la cristallizzazione di sali e carbonati, che precipitano a temperature di circa 55° C depositandosi sulle piastre o sulle tubazioni degli scambiatori. Un altro esempio può essere quello dell’industria casearia, dove a certe temperature le proteine del latte bruciano formando una pellicola sulle superfici di scambio termico.

Fouling biologico
All’interno dei fluidi è possibile che si formino dei microorganismi, alghe, funghi e batteri, che attaccandosi alle pareti di scambio non solo limitano il trasferimento termico, ma favoriscono effetti di corrosione dei materiali. La selezione di materiali ostili al proliferare di questi micro organismi è qui una possibile soluzione.

Fouling da deposizione
Capita spesso nel raffreddamento o riscaldamento di processi produttivi di dover lavorare con fluidi contenenti particelle in sospensione. Se non vengono presi alcuni accorgimenti di progetto, come sezioni aumentate dei canali di passaggio, l’installazione in verticale degli scambiatori (la forza di gravità contribuisce in questo caso a far defluire le particelle dallo scambiatore) o l’assicurare determinate velocità di flusso, queste particelle si depositano e si accumulano sulle superfici di scambio, abbassando l’efficienza termica.

Fouling da corrosione
Una non adeguata scelta dei materiali delle piastre può portare nel tempo a effetti di corrosione, con la formazione e la deposizione di strati di ossido sulle superfici di scambio, che hanno un effetto isolante che limita il trasferimento termico.

In molti casi, interventi di pulizia chimica o meccanica sono risolutivi, provvedendo per tempo alla rimozione dei sedimenti che altrimenti a lungo andare possono ostruire completamente lo scambiatore e bucare le superfici di scambio.
E’ però anche possibile prevenire lo sporcamento, prestando particolare attenzione a:

• Scelta dello scambiatore più adatto al tipo di applicazione
• Corretta selezione del design e dei materiali di costruzione
• Adozione di dolcificatori o filtri per mitigare le condizioni chimico/fisiche dei fluidi
• Studio della corrugazione delle piastre per garantire una adeguata turbolenza dei fluidi

Infine, a corollario sono interessanti i nuovi nano-rivestimenti nell’applicazione delle nanotecnologie agli scambiatori di calore per impianti HVAC e di refrigerazione. Si tratta di nanocoating allo studio ad esempio presso l’Istituto Leibniz per i nuovi materiali di Saarbrücken, dotati di proprietà antimicrobiche, antiadesive e anticorrosive, che inibisco la formazione di depositi sulle superfici di scambio termico trattate, riducendo di conseguenza anche sforzi e costi relativi alla pulizia e alla manutenzione periodica degli scambiatori.

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Per ottenere un incremento della turbolenza dei fluidi, anche lavorando con portate basse, la tendenza attuale è di ridurre il diametro dei canali di passaggio del fluido, onde ottenere un reticolo più fitto con molteplici incroci e angolazioni. Il motivo di ciò sta nell’aumentare il coefficiente di scambio, per ridurre la superficie di scambio termico necessaria per un certo carico termico e quindi produrre scambiatori più piccoli ed efficienti, a costi più contenuti e più competitivi.

Vi sono ovviamente dei limiti, in quanto se si lavora con acque reflue sporche, un canale troppo piccolo rischia di intasarsi molto rapidamente. Cosa che ci capita molto spesso, lavorando in ambito industriale dove si ha a che fare molto di frequente con acque non molto pulite, magari in circuito aperto, o comunque in circuiti chiusi ma inquinati dai processi asserviti.

Gli scambiatori saldobrasati hanno per esempio un diametro dei passaggi di circa 2 mm, che è molto piccolo. I saldobrasati sono però concepiti come scambiatori privi di manutenzione, ad eccezione di lavaggi chimici che possono essere eseguiti solo se lo scambiatore non è completamente ostruito.

Gli scambiatori di tipo ispezionabile hanno invece una varietà di sezioni dei canali di passaggio, anche in funzione del design termico dato in fase di progettazione. Per esempio, nella gamma dei nostri scambiatori a piastre la sezione media parte da 2,5 mm e va fino ai 4 mm, per applicazioni con fluidi molto sporchi o che richiedono perdite di carico molto contenute. E’ anche vero però che le perdite di carico possono essere pilotate tramite la scelta dell’angolo di Chevron delle piastre, e che avere un canale di passaggio più ampio allarga il range applicativo degli scambiatori.

Vi è poi una tipologia speciale di scambiatori a piastre, i cosiddetti scambiatori free-flow, che non presentano punti di contatto e hanno canali molto larghi. Questi scambiatori vengono applicati in particolari contesti produttivi, come quello dell’industria della carta o nella produzione alimentare di succhi di frutta con particelle di polpa in sospensione, che intaserebbero un normale scambiatore in pochissimo tempo.

Gli scambiatori free-flow hanno canali di passaggio molto larghi, che possono essere di 6 mm o anche 12 mm. Questi scambiatori non esistono in tutti i formati possibili con questo tipo di piastra e di corrugazione, e non avendo punti di contatto offrono una resistenza più bassa alle pressioni differenziali rispetto ai normali scambiatori. Le piastre devono inoltre essere realizzate con spessori maggiori, il che ne aumenta il costo.

Come si seleziona quindi il tipo di passaggio in uno scambiatore? La scelta avviene naturalmente a seconda del tipo di applicazione, in base a cui verranno scelti il tipo di piastra, la sezione del canale di passaggio e la profondità di stampaggio.

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Il fouling factor è quindi sostanzialmente un coefficiente di sovradimensionamento che viene applicato nella progettazione degli scambiatori di calore. In pratica, in progettazione viene previsto un margine superiore nel dimensionamento dello scambiatore, che serve a contrastare la perdita in efficienza di scambio termico dovuta a sporcamento delle superfici di trasferimento termico.

Il calcolo del coefficiente dipende dal tipo di moti che avvengono all’interno dello scambiatore, che influiscono direttamente sulla quantità di particelle che possono depositarsi sulle superfici di scambio. Il fattore di sporcamento varia quindi a seconda della tipologia di scambiatore coinvolta, che si tratti di uno scambiatore a fascio tubiero, a piastre o altro ancora. I valori di fouling factor in uno scambiatore a piastre sono in particolare dieci volte inferiori rispetto a quelli validi per uno scambiatore a fascio tubiero, in quanto all’interno di uno scambiatore a piastre i moti dei fluidi sono molto più turbolenti.

Il moto turbolento dei fluidi in uno scambiatore a piastre trasporta infatti con sé le particelle che potrebbero depositarsi sulle superfici di scambio, richiedendo pertanto un inferiore coefficiente di sovradimensionamento dello scambiatore. Altra ragione è legata alla costruzione stessa del tipo di scambiatore: uno scambiatore a fascio tubiero una volta costruito non può essere ampliato, mentre uno scambiatore a piastre consente di variare e aumentare il numero di piastre all’occorrenza, potendo quindi intervenire in caso di perdita di efficienza di scambio di calore dovuta ad esempio a fluidi sporchi o variazioni nelle condizioni di progetto.

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