Gli scambiatori di calore a guscio e a tubo sono la chiave per l'efficienza della raffinazione petrolchimica

Immagina una vasta raffineria di petrolio, dove intricate reti di tubi si incrociano come vasi sanguigni in un organismo vivente. Al centro di questi complessi sistemi, gli scambiatori di calore a fascio tubiero funzionano come critici "centri circolatori", facilitando silenziosamente il trasferimento e la conversione di energia. Questi dispositivi onnipresenti svolgono ruoli indispensabili in applicazioni ad alta pressione come la lavorazione petrolchimica. Ma come operano esattamente e quali considerazioni progettuali ne governano l'implementazione? Questa esplorazione completa rivela la natura multiforme degli scambiatori di calore a fascio tubiero.

Come suggerisce il nome, questi scambiatori di calore comprendono due componenti principali: un guscio esterno che ospita un fascio tubiero interno. Il guscio cilindrico funge da recipiente a pressione contenente numerosi tubi attraverso i quali scorrono i fluidi. Lo scambio termico avviene attraverso le pareti dei tubi che separano due flussi di fluido a temperatura regolata. Le configurazioni dei tubi variano da design a pareti lisce a design alettati longitudinalmente, ciascuno dei quali serve a soddisfare diversi requisiti di trasferimento di calore.

La loro prevalenza industriale deriva dalla costruzione compatta, dalla tolleranza alle alte pressioni e dalla versatilità operativa. Queste unità gestiscono in modo efficiente processi liquido-liquido, gas-gas, vaporizzazione e condensazione in diverse applicazioni.

Il meccanismo di funzionamento fondamentale si basa sui differenziali di temperatura tra i fluidi separati dalle pareti dei tubi conduttivi. Tipicamente, un mezzo scorre attraverso i tubi (fluido lato tubo) mentre un altro circola all'esterno di essi all'interno del guscio (fluido lato guscio). Per migliorare l'efficienza, il flusso lato guscio adotta spesso schemi a corrente incrociata perpendicolari ai fasci tubieri. I deflettori posizionati strategicamente reindirizzano il fluido lato guscio attraverso i tubi più volte, aumentando la turbolenza e migliorando i coefficienti di trasferimento del calore.

Il calore migra dai fluidi più caldi a quelli più freddi: la direzionalità dipende dai requisiti del processo. Ad esempio, le applicazioni di riscaldamento potrebbero utilizzare il vapore come mezzo caldo, mentre i processi di raffreddamento potrebbero utilizzare acqua refrigerata. Le prestazioni dipendono da molteplici variabili, tra cui le proprietà dei fluidi, le velocità di flusso, i materiali dei tubi e l'ingegneria strutturale.

• Allocazione dei fluidi: I fluidi puliti e non corrosivi occupano tipicamente i lati dei tubi per una manutenzione più semplice, mentre i mezzi sporchi o corrosivi scorrono attraverso i gusci. I flussi ad alta pressione di solito vengono instradati attraverso i tubi per ridurre al minimo lo stress del guscio.
• Disposizione dei tubi: Gli schemi triangolari offrono un trasferimento di calore superiore, ma complicano la pulizia rispetto ai layout quadrati.
• Ingegneria dei deflettori: Questi componenti di direzione del flusso influenzano in modo critico la turbolenza e la caduta di pressione attraverso la loro spaziatura, altezza e geometria.
• Specifiche dei tubi: La quantità e le dimensioni influiscono direttamente sull'area di trasferimento del calore e sulla perdita di pressione: diametri più piccoli con un numero di tubi più elevato generalmente migliorano l'efficienza.
• Configurazione del guscio: I gusci cilindrici o rettangolari devono resistere alle sollecitazioni operative, accogliendo al contempo i volumi di flusso.

• Piastra tubiera fissa: Design semplici ed economici inadatti ai fluidi sporchi a causa dei fasci non rimovibili.
• Tubo a U: Accoglie l'espansione termica, ma crea problemi di pulizia e zone morte.
• Testata flottante: Consente la rimozione del fascio per la manutenzione e gestisce grandi differenziali di temperatura a costi più elevati.
• Fascio compatto: La costruzione semplice rischia perdite, limitando l'uso ad applicazioni a bassa pressione e non pericolose.

Le centrali nucleari utilizzano generatori di vapore a tubo a U specializzati: scambiatori a due fasi che fanno bollire l'acqua riciclata in vapore per azionare le turbine. La maggior parte delle unità presenta 1, 2 o 4 passaggi lato tubo (attraversamenti di fluido attraverso i gusci). I condensatori di superficie delle centrali elettriche utilizzano tipicamente progetti a tubo diritto a passaggio singolo.

• Conducibilità termica: Rame e alluminio eccellono nell'efficienza del trasferimento di calore.
• Resistenza alla corrosione: La compatibilità dei materiali con i mezzi di processo previene il degrado: il titanio resiste agli acidi, il nichel resiste agli alcali.
• Integrità strutturale: L'acciaio al carbonio e l'acciaio inossidabile offrono resistenza per applicazioni ad alta pressione.
• Fattori economici: L'economicità bilancia i requisiti di prestazione.

I materiali comuni includono leghe di rame, acciaio inossidabile, titanio e polimeri speciali come il PFA per temperature estreme. Una selezione impropria rischia perdite, contaminazione o perdita di pressione tra i lati del guscio e del tubo.

• Petrolchimico: Riscaldamento/raffreddamento di petrolio grezzo, intermedi e prodotti di reazione.
• Generazione di energia: Condensazione del vapore di scarico della turbina negli impianti a combustibili fossili e nucleari.
• Metallurgia: Regolazione della temperatura nei processi di fusione e lavorazione dei metalli.
• Alimentare/farmaceutico: Trattamento termico sanitario per beni di consumo e medicinali.
• HVAC: Sistemi di climatizzazione in grandi edifici.
• Idraulica: Raffreddamento di lubrificanti e fluidi di trasmissione in macchinari pesanti.

Le misure di sicurezza critiche includono dispositivi di scarico della pressione (dischi o valvole di rottura) che proteggono dalla sovrapressione indotta dal guasto del tubo. La progettazione e la produzione aderiscono a standard rigorosi come TEMA, ASME Boiler Code ed EN 13445-3, garantendo l'affidabilità in ambienti esigenti.

Rispetto agli scambiatori di calore a piastre, i progetti a fascio tubiero offrono una manutenzione superiore (in particolare i modelli a testata flottante) e un'eccezionale tolleranza alla pressione grazie alla costruzione cilindrica.