Consigli di Progettazione: Scambiatori di Calore Scambiatori di Calore a Fascio Tubiero: Nomenclatura dei Tipi e delle Parti

Transcript

1 Consigli di Progettazione: Scambiatori di Calore Attualmente per molte Apparecchiature Chimiche, compresi gli Scambiatori di Calore, il progetto viene eseguito da ditte specializzate nel calcolo e nella fornitura partendo dalle specifiche (vedere Foglio DATI) preparate dall ingegnere di processo che indicano anche la tipologia dello scambiatore preferito in base alle caratteristiche dei fluidi da trattare e le eventuali alternative da prendere in considerazione. Nella figura vengono riportate le tipologie dei vari scambiatori a fascio tubero che possono essere realizzati. Scambiatori di Calore a Fascio Tubiero: Nomenclatura dei Tipi e delle Parti L ingegnere di processo deve poi esaminare le soluzioni proposte dai vari fornitori interpellati e richiedere eventuali varianti alle soluzioni che vengono proposte.

2 Per la formulazione della specifica di processo dove non diversamente indicato è opportuno e conveniente: 1) Il fluido più viscoso lato mantello 2) I gas lato tubi 3) L acqua refrigerante lato tubi (in questo caso si sconsiglia l adozione di tubi ad U ). E più facile pulire l interno che l esterno dei tubi. 4) Tubi disposti a passo quadro e fasci estraibili per esigenza di frequenti pulizie anche meccaniche nel mantello 5) Il flusso a più basa perdita di carico nei tubi 6) Il flusso a più elevata pressione nei tubi. 7) Usare se possibile tubi ad U per pressione maggiore 65 Kg/cm 2 all inero dei tubi. 8) Tubi tipo ad alettatura esterna ribassata (esempio Tipo Trufin alettatura discografica) per grandi superfici di scambio e basso fattore di sporcamento lato mantello (< 0,0001) e coefficiente lato tubi da 2 a 3 volte maggiore coefficiente lato mantello con normali tubi lisci lato esterno. 9) Perdite di carico lato mantello decrescenti si ottengono con: setti segmentali a grande spaziatura, setti a disco e anello, flussi divisi, più corpi in parallelo, con aumento del passo tra i tubi. 10) Per bassi coefficienti di scambio esaminare la possibilità di aumentare la differenza di temperatura tra lato mantello e lato tubi. 11) Mantenere se possibile differenze di temperatura non inferiori a 5 C tra il fluido caldo e freddo. 12) Incrementare perdite carico rispetto ai valori soliti nel caso d uso di materiali speciali di costo elevato. 13) Per elevate differenze di temperatura tra fluido lato mantello e fluido lato tubi preferire Scambiatori con tubi ad U o a Teste Flottanti. 14) La condensazione di vapori e preferibile avvenga Lato Mantello. 15) Realizzare corpi separati per zone termiche distinte (esempio Condensazione + Sottoraffreddamento) 16) Per vaporizzazione nei tubi entrare dal basso ed uscire dall alto. 17) L acqua refrigerante entra dal basso ed esce dall alto 18) Per sottoraffreddare Lato mantello (dopo condensazione) mantenere parte dei tubi sommersi 19) Preferire tubi con diametro esterno 20 mm o ¾ rispetto a tubi da 25 mm o 1. 20) Considerare sempre un alternativa con lunghezza max dei tubi (il valore del rapporto lunghezza tubi diametro del mantello può essere anche 10) 21) Preferire montaggi orizzontali a terra o su piani di servizio 22) Qualora nulla osti confrontare due progetti scambiando posizione fluidi lato mantello e tubi. 23) Esaminare, nel caso di basso costo dello scambiatore rispetto ad un alto costo delle utilities la possibilità di ridurre il costo complessivo tra ammortamento ed esercizio. 24) Per bassi coefficienti di scambio lato tubi e mantello esaminare tubi a superficie incrementata 25) E sconsigliato far fluire l acqua nel mantello per scambiatori ad acqua di mare 26) Nel caso di rischi di trafilamento di gas attraverso la piastra tubero da un fluido all altro prevedere una doppia piastra tubiera con il tubo passante saldato su entrambe le piastre. Nella camera tra le due piastre prevedere un misuratore con allarme di alta pressione settato leggermente al di sopra della pressione del fluido a maggiore pressione. Nel caso di allarme analizzare il fluido a più bassa pressione e verificare se ci sono passaggi di gas a maggior pressione in quello a più bassa pressione. E opportuno anche esaminare le seguenti alternative agli scambiatori a fascio tubero: a) Per temperatura finale fluido da raffreddare superiore a 50 C e/o per elevate portate di acqua refrigerante esaminare scambiatori ad aria. b) Esaminare utilizzo di scambiatori a piastre specie per basse differenze di temperatura di scambio. Questi scambiatori presentano un costo inferiore a quelli a fascio tubero anche se normalmente sono realizzati in Acciaio Inossidabile o in Titanio.

3 L importanza dei dettagli costruttivi. Si ritiene utile segnalare la grande importanza che hanno alcuni dettagli costruttivi che è opportuno siano ben noti all ingegnere di processo in modo da indicarli chiaramente nella specifica di processo (TDS) dello scambiatore. Anche al tecnologo di processo che opera sull impianto potranno risultare più chiari alcuni inconvenienti di marcia quando siano note le difficoltà che possono essere provocate dalla mancanza sull apparecchio di alcuni particolari che a prima vista possono essere ritenuti secondari. Ad esempio in un ribollitore di una colonna di distillazione con vapore condensante nel mantello una semplice cosa come la mancata installazione di uno sfiato (Vent) per eliminare dal mantello gas non condensabili (ad esempio Ossigeno ed Azoto residui presenti nell Acqua Alimento caldaia) anche in piccola quantità può ridurre, anche rapidamente l efficienza dello scambiatore per riempimento progressivo del lato mantello con vapori del gas incondensabile. In particolare il pericolo si accentua nel caso di scambiatori verticali in cui il gas da raffreddare e condensare entra dall alto nel mantello e la condensa esce evidentemente dal basso nei quali l incodensabile si accumula nella parte superiore dell apparecchio creando un cuscinetto di vapori incondensabili. Questa situazione si può anche verificare in scambiatori di recupero calore tra gas molto caldi in uscita da reattori catalitici che vaporizzano liquidi da inviare in fase vapore alla catalisi. In questi casi si può verificare un notevole surriscaldamento della piastra di testa con rischi di rotture della piastra stessa. Nei casi esposti sarà opportuno prevedere un vent temporizzato per inviare gli incondensabili che si acculano nella parte alta lato mantello dello scambiatore in torcia od in una opportuna linea di processo in cui sia possibile riutilizzarli. L esigenza di prevedere uno sfiato si presenta anche in scambiatori sia orizzontali che verticali come ad esempio condensatori di vapori contenenti anche piccole quantità di incondensabili con flusso dei vapori da condensare nel mantello. Questo inconveniente si può anche verificare in scambiatori in cui viene condensato lato mantello del vapor d acqua contenente anche piccole quantità di incondensabili (Azoto, Ossigeno ed altri). E anche da tenere presente che per ottenere un buon coefficiente di scambio lato mantello è necessario che non siano presenti by-pass rilevanti che consentano al fluido lato mantello di passare direttamente dal bocchello di ingresso a quello di uscita interessando in modo ridotto il flusso sui tubi di scambio. Causa di formazione di by-pass possono essere: a) La non uniforme distribuzione dei tubi sull intera superficie della piastra tubiera dovuta alla mancanza per motivi costruttivi di tubi in alcune zone. b) Un eccessivo gioco tra diaframma e mantello c) Un eccessivo gioco tra diametro fori passaggio tubi nel diaframma e diametro dei tubi. Questo tipo di by-pass non è comunque molto importante dal punto di vista dello scambio termico ma può diventare fonte di danneggiamenti dei tubi a motivo di eccessive vibrazioni dei tubi stessi. Per i by-pass di cui al punto a provvedere a riempire la piastra con tiranti dei diaframmi installati nelle zone in cui si verrebbero a trovare i by-pass. Il tirante può essere realizzato con un tondino di ferro di misura ridotta rispetto al diametro dei tubi. Per contenere i valori di by-pass indicati ai punti b e c è sufficiente controllare che tali giochi non superino i valori previsti dalle norme TEMA. Per i Fasci Tubieri a Teste Fisse installare uno o più dilatatori sul mantello nel caso che la differenza di temperatura media tra lato tubi e lato mantello superi i 30 C. Nel caso sia necessario evitare trafilamenti attraverso la piastra tubiera avvenga un passaggio di gas tra lato mantello e lato tubi prevedere una doppia piastra tubiera. (Vedere Scambiatori Calore Dettagli Costruttivi).

4 Fare molta attenzione all ingresso lato tubi di Gas ad Alta Temperatura Tenere presente che nell ingresso del Gas il coefficiente di scambio può essere anche più del doppio del valore dopo una lunghezza del tubo dall ingresso di 5 diametri del tubo stesso. La temperatura media della piastra, per uno scambiatore in controcorrente, come un valore medio tra la temperatura di ingesso nei tubi ed uscita dal mantello così calcolata: Posto: Temperatura fluido lato ingresso tubi = T-1 Temperatura fluido lato uscita mantello = T-2 Coefficiente di scambio fluido in ingresso tubo nella posizione subito a valle della piastra = Coefficiente scambio fluido entrata tubi calcolato alla temperatura ingresso nei tubi = h-1 Coefficiente di scambio fluido uscita mantello calcolato alla temperatura in uscita dal mantello nella posizione subito a valle della piastra = h-2 Si ricava in prima approssimazione: Temperatura Media Piastra ((T-1 + T-2)/2) 2 h-1/h-2) Per il fattore di Incremento del Coefficiente di scambio lato ingresso tubi vedere ALFRED SCHACK DER INDUSTRIELLE WÄRMÜBERGANG. Per evitare problemi, specie nel caso di temperature di ingresso molto alte superiori ai 700 C, oltre ad una accurata selezione del tipo di acciaio da adottare, esaminare la possibilità di realizzare nella Piastra tubiera un ingresso conico nella tubazione dello scambiatore, aumentando comunque lo spessore della piastra tubiera. Si segnala in proposito che una serie di caldaie per produrre vapore ad alta pressione su gas a 800 C in uscita da un impianto di Steam Reforming realizzate con scambiatori a tubi fissi (Tipo BEM) per produrre vapore d acqua a 140 atmosfere (T = 340 C) si sono danneggiate per cedimento della piastra tubiera lato gas caldo ingresso tubi a motivo della alta temperatura a cui si portava la piastra tubiera.

5 Considerazioni sul Fattore di Sporcamento (Fouling) interno Tubi Di seguito si riporta un pubblicazione in merito presentata al convegno sugli Scambiatori di Calore della Associazione Termotecnica Italiana Sezione Lombardia Milano 7 8 Giugno 1967 Nella pubblicazione si dimostra che lo sporcamento all interno della tubazione diminuisce all aumentare della velocità del fluido che scorre nel tubo.

6 1

7 2

8 3

9 4

10 5

11 6

12 7

13 8