Lo scambiatore di calore più utilizzato: scambiatore di calore a fascio tubiero

Introduzione

Scambiatori di calore sono componenti essenziali in molti processi industriali e commerciali, poiché consentono il trasferimento del calore da un mezzo all'altro senza contatto diretto. Tra i molti tipi disponibili, inclusi scambiatori di calore a piastre, a tubi alettati, a spirale e a doppio tubo, lo scambiatore di calore a fascio tubiero (STHE) si distingue come il più utilizzato a livello globale. La sua versatilità, durata ed efficienza ne fanno la pietra angolare della gestione termica in settori quali produzione di energia, petrolio e gas, HVAC, lavorazione chimica e altro ancora.

Cos'è uno scambiatore di calore a fascio tubiero?

Uno scambiatore di calore a fascio tubiero è costituito da una serie di tubi racchiusi all'interno di un involucro cilindrico. Un fluido scorre attraverso i tubi, mentre un altro fluido scorre sui tubi (all'interno del guscio) per scambiare calore. Questo contatto indiretto garantisce il trasferimento termico senza miscelazione del fluido.

Struttura di base:
Tubi: tipicamente disposti in fasci e possono essere diritti o a forma di U.

Guscio: recipiente cilindrico che circonda i tubi, contenente il secondo fluido.

Fogli tubieri: piastre che mantengono i tubi in posizione e isolano i fluidi.

Deflettori: guidano il fluido lato mantello per aumentare la turbolenza e il trasferimento di calore.

Teste o cappucci terminali: dirigere il fluido dentro e fuori i tubi.

Principio di funzionamento

Il principio di funzionamento principale di uno scambiatore di calore a fascio tubiero è il trasferimento di calore basato sulla convezione tra due fluidi a temperature diverse. Il calore fluisce dal fluido più caldo a quello più freddo attraverso la parete del tubo.

Esistono tre principali configurazioni di flusso:

Flusso parallelo: entrambi i fluidi si muovono nella stessa direzione.

Controflusso: i fluidi si muovono in direzioni opposte per una maggiore efficienza.

Flusso incrociato: i fluidi scorrono perpendicolari tra loro.

Varianti di progettazione

Per adattarsi a varie applicazioni, gli scambiatori di calore a fascio tubiero sono progettati in diverse configurazioni:

Passaggio singolo o passaggio multiplo (il fluido effettua uno o più passaggi attraverso i tubi)

Piastra tubiera fissa – Semplice ed economica; limitato a una bassa dilatazione termica.

Testa flottante o tubo a U – Supporta l'espansione termica; pulizia e manutenzione più facili.

Standard TEMA – La Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA) standardizza gli STHE in classi (R, C, B) per uso chimico, commerciale e di raffineria.

Perché è il più utilizzato?

1. Versatilità
Gli scambiatori a fascio tubiero possono gestire un'ampia gamma di temperature (fino a 1000°C) e pressioni (fino a 500 bar). Sono personalizzabili per molti requisiti di processo, fluidi e ambienti di installazione.

2. Durabilità e affidabilità
Costruiti con materiali robusti come acciaio inossidabile, titanio o Inconel, questi scambiatori sono adatti per ambienti corrosivi e ad alto stress. Hanno una lunga vita operativa con una corretta manutenzione.

3. Scalabilità
Sono disponibili in un'ampia gamma di dimensioni: dalle piccole unità per laboratori alle grandi installazioni industriali.

4. Facilità di manutenzione
Modelli come il design con tubo a U o con testa flottante consentono la pulizia e la sostituzione del tubo senza smontare l'intero sistema.

5. Efficienza termica
Con una progettazione adeguata (ad esempio, deflettori, passaggi multipli), gli STHE possono ottenere un trasferimento di calore molto efficiente, specialmente nelle disposizioni in controcorrente.

Applicazioni comuni

1. Industria del petrolio e del gas
Lubrificanti refrigeranti e fluidi idraulici

Recupero del calore dai fumi

Condensazione di vapore e vapori

2. Generazione di energia
Riscaldatori dell'acqua di alimentazione

Condensatori di vapore nelle centrali termoelettriche

3. Lavorazione chimica
Controllo della temperatura dei reattori

Riscaldamento e raffreddamento del prodotto

4. HVAC e refrigerazione
Sistemi ad acqua refrigerata

Condensatori ed evaporatori

5. Marino e aerospaziale
Sistemi di raffreddamento del motore

Recupero del calore residuo

Materiali di costruzione
La selezione del materiale è fondamentale e dipende dalla temperatura, dalla pressione e dalla resistenza alla corrosione:

Acciaio al carbonio – Comune per applicazioni a basso costo.

Acciaio inossidabile – Elevata resistenza alla corrosione.

Leghe di rame – Eccellente conduttività termica.

Titanio – Utilizzato per acqua di mare o fluidi altamente corrosivi.

Leghe di nichel (Inconel, Hastelloy) – Per ambienti estremi.