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News del 20-05-2019
Scambiatori di Calore per Industria Chimica e Petrolchimica

Uno dei componenti più utilizzati negli impianti chimici e petrolchmici è lo scambiatore di calore

L'apporto o la cessione di calore è infatti necessario nella maggior parte dei processi produttivi


In uno scambiatore di calore si ha un trasferimento di energia tra una corrente ad una determinata temperatura ed una o più correnti a temperature diverse; in generale in uno scambiatore non si ha miscelazione: le correnti, normalmente alo stato liquido o gassoso, sono isolate tra loro, una delle correnti può essere costituita dall'aria o dall'ambiente.

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Le diverse tipologie costruttive di Scambiatori di Calore per uso industriale in ambito chimico e petrolchimico

A seconda delle modalità con cui avviene lo scambio sono stati studiati un'infinità di aparecchi con tipologie costruttive funzione delle caratteristiche dei fluidi, per limitarsi ai pià usati vi sono scambiatori a fascio tubiero, a piastre, con batterie alettate, a doppio tubo, con lame raschianti, ecc.

Le tipologie più comuni negli impianti chimici e petrolchimici sono:
La selezione di una tipologia costruttiva piuttosto di un'altra dipende da molteplici fattori quali le caratteristiche dei fluidi trattati, lo spazio disponibile per l'installazione, il costo dell'apparecchio, ecc.

Scambiatori a fascio tubiero

Sono costituiti da un mantello entro cui circola uno dei due fluidi (entrambi i fluidi sno isolati dall'eambiente esterno), il mantello contiene una serie di tubi entro cui circola il secondo fluido, lo scambio termico avviene in massima parte attraverso le pareti dei tubi interni.
Sono possibili una serie di diverse tipologie costruttive, per identificare le tipologie più usate ci si riferisce comunemente alla codifica TEMA - Tubular Exchanger Manufcacturers Association - è un'associazione di categoria con sede negli Stati Uniti che riunisce i più importanti costruttori di scambiatori di calore.

In questi scambiatori uno dei fluidi è costituito dall'aria ambiente che circola all'esterno di tubazioni che contengono il secondo fluido.
Per migliorare il trasferimento termico, funzione della superficie di scambio, sul lato esterno sono generalmente previste delle alette.
La circolazione dell'aria può avvenire in modo naturale o forzato (impiegando ventilatori o altri sistemi).
Spesso negli impianti sono presenti scambiatori di raffreddamento (air-coolers) con circolazione forzata dell'aria, la progettazione comunemente segue gli standard API (American Petroleum Institute).

Scambiatori a piastre

Di diffusione relativamente recente (a partire dagli anni settanta) offrono diversi vantaggi tra cui una sensibile riduzione delle dimensioni esterne (a parità di calore scambiato). Sono costituiti da una serie di camere entro cui circolano i fluidi, le caratteristiche le dimensioni ed il numero delle camere vengono selezionate in funzione del tipo di processo di scambio.

Le procedure di dimensionamento

Le procedure di dimensionamento degli scambiatori di calore per il settore industriale chimico e petrolchimico includono due fasi:
dimensionamento termodinamico o calcolo delle superfici di scambio;
dimensionamento meccanico.
Le due azioni possono risultare integrate (i migliori programmi di calcolo conentono di progettare l'intero scambiatore sino all'emissione dei disegni costruttivi in una unica sessione).
Il dimensionamento termodinamico consente di valutare la quantità di superficie di scambio necessaria, nel calcolo si impiegano correlazioni il cui campo di applicazione dipende dalle caratteristiche del processo di scambio e dalle caratteristiche termofisiche dei fluidi.
Per tenere conto della variazione delle caratteristiche dei fluidi (stato dei fluidi, proprietà trasporto), proprietà termodinamiche) alle diverse condizioni operative che si instaurano all'interno di uno scambiatore il calcolo viene suddiviso in ià sottoprocedure che risolvono di volta in volta una limitata zona dello scambiatore per cui si possono assumere delle caratteristiche costanti.
L'esecuzione del calcolo per zone concorenti multicomponente e/o quando si verifichino cambiamenti di fase richiede in genere la presenza di un generatore di proprietà per la stima della proprietà dei fluidi puri e miscele alle diverse condizioni operative.

Gli algoritmi risolutivi

Il dimensionamento degli scambiatori viene generalmente svolto in maniera da identificare le condizioni di massimo trasferimento termico (corrispondenti alla minima superficie di scambio), queste generalmente corrispondono alle condizoini di massima turbolenza dei fluidi (numero di Reynolds più elevato), l'aumento del numero di Reynolds provoca tuttavia anche un aumento delle perdite di carico attraverso l'apparecchio, l'obbiettivo del risolvitore è quindi quello di identificare la minima superficie di scambio che assicuri il necessario trasferimento termico alle condizioni operative (pressioni, temperature all'ingresso ed uscita dell'apparecchio) specificate. La procedura risoltiv è di tipo iterativo, il programma sisvolge in sequenza una serie di calcoli sino ad identificare un minimo (la superficie di scambio) di una funzione.



Scambiatore di calore per impianti chimici e petrolchimici