Scambiatori di calore a fascio tubiero

Scambiatori

Lo scambiatore a fascio tubiero e mantello (in inglese tube & shell heat exchanger) è uno scambiatore di calore a superficie, in cui le correnti da trattare passano attraverso dei tubi raccolti dentro un recipiente di forma cilindrica e o spazio circostante (chiamato mantello).
Rispetto agli scambiatori di calore è di gran lunga il modello più utilizzato, e permette lo scambio di grandi quantità di calore, avendo superfici di scambio che possono arrivare a decine di migliaia di metri quadrati.

In uno scambiatore a fascio tubiero e mantello si distinguono le seguenti parti:

• le testate di estremità (testa posteriore e testa anteriore), che delimitano il volume costituito dalla parte interna dei tubi e che è detto lato tubi (rappresentato in azzurro nelle figure che seguono)
• i tubi stessi che sono fissati ad una lamiera forata di forte spessore detta piastra tubiera. L'accoppiamento tra tubi e fascia tubiera può avvenire tramite "mandrinatura" e successiva saldatura.
• l'involucro esterno (o mantello), che delimita il volume esterno ai tubi, detto lato mantello (rappresentato in rosso nelle figure che seguono)

Al mantello fanno capo quattro "bocchelli" flangiati, due riservati al fluido di servizio (ovvero il fluido raffreddante/riscaldante utilizzato come vettore dello scambio termico, generalmente acqua) e due riservati al fluido di processo (ovvero il fluido che bisogna raffreddare/riscaldare, che compete direttamente al processo industriale).

Esternamente al mantello è rappresentato un distributore, usato solo in caso di fluidi gassosi lato mantello. Nel mantello possono essere presenti dei piatti di lamiera trasversali detti diaframmi (in inglese baffle) che hanno lo scopo di controllare il regime idraulico nel mantello stesso.

Lo scambiatore mostrato in figura 1 è detto a singolo passaggio o, più comunemente, a un passaggio, in quanto, sia lato tubi che lato mantello, i fluidi entrano attraversano lo scambiatore una volta ed escono. In figura 2 è rappresentato uno scambiatore simile, ma a due passaggi lato tubi o, come si dice, un tipo 2-1 (dove 1 sta per 1 passo lato mantello). Si noti, nella testata superiore, il setto verticale che obbliga il fluido lato tubi a scendere nei tubi per poi risalire. Non c'è in teoria limite al numero di passaggi; in pratica è raro trovare scambiatori con numero di passi lato tubi superiore a 16, e lato mantello superiore a 4. In figura 3 è mostrato uno scambiatore 2-2.

Lo scambiatore a fascio tubiero e mantello (in inglese tube & shell heat exchanger) è uno scambiatore di calore a superficie, in cui le correnti da trattare passano attraverso dei tubi raccolti dentro un recipiente di forma cilindrica e o spazio circostante (chiamato mantello).
Rispetto agli scambiatori di calore è di gran lunga il modello più utilizzato, e permette lo scambio di grandi quantità di calore, avendo superfici di scambio che possono arrivare a decine di migliaia di metri quadrati.

In uno scambiatore a fascio tubiero e mantello si distinguono le seguenti parti:

• le testate di estremità (testa posteriore e testa anteriore), che delimitano il volume costituito dalla parte interna dei tubi e che è detto lato tubi (rappresentato in azzurro nelle figure che seguono)
• i tubi stessi che sono fissati ad una lamiera forata di forte spessore detta piastra tubiera. L'accoppiamento tra tubi e fascia tubiera può avvenire tramite "mandrinatura" e successiva saldatura.
• l'involucro esterno (o mantello), che delimita il volume esterno ai tubi, detto lato mantello (rappresentato in rosso nelle figure che seguono)

Al mantello fanno capo quattro "bocchelli" flangiati, due riservati al fluido di servizio (ovvero il fluido raffreddante/riscaldante utilizzato come vettore dello scambio termico, generalmente acqua) e due riservati al fluido di processo (ovvero il fluido che bisogna raffreddare/riscaldare, che compete direttamente al processo industriale).

Esternamente al mantello è rappresentato un distributore, usato solo in caso di fluidi gassosi lato mantello. Nel mantello possono essere presenti dei piatti di lamiera trasversali detti diaframmi (in inglese baffle) che hanno lo scopo di controllare il regime idraulico nel mantello stesso.

Lo scambiatore mostrato in figura 1 è detto a singolo passaggio o, più comunemente, a un passaggio, in quanto, sia lato tubi che lato mantello, i fluidi entrano attraversano lo scambiatore una volta ed escono. In figura 2 è rappresentato uno scambiatore simile, ma a due passaggi lato tubi o, come si dice, un tipo 2-1 (dove 1 sta per 1 passo lato mantello). Si noti, nella testata superiore, il setto verticale che obbliga il fluido lato tubi a scendere nei tubi per poi risalire. Non c'è in teoria limite al numero di passaggi; in pratica è raro trovare scambiatori con numero di passi lato tubi superiore a 16, e lato mantello superiore a 4. In figura 3 è mostrato uno scambiatore 2-2.



Norme TEMA

Gli scambiatori a fascio tubiero, essendo i più utilizzati, sono anche quelli meglio definiti dal punto di vista di unificazione e di normativa. In questo ambito fanno testo le indicazioni dell'associazione statunitense TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers' Association), che pubblica un'esauriente raccolta di norme relative alla classificazione, dimensionamento e costruzione degli scambiatori.

I tubi dello scambiatore non devono necessariamente essere rettilinei (si è già parlato dei serpentini, che però sono dei fasci tubieri impropri), è anzi pratica comune l'uso di tubi curvati ad U (tipo TEMA U), a raggi variabili, uniti mediante la piastra tubiera a formare delle chiome di tubi. Questi particolari modelli di scambiatore fascio tubiero e mantello sono denominati "a chioma", e presentano una sola testa.

Il vantaggio risiede nella estraibilità del fascio tubiero, che può essere facilmente separato dal mantello per ispezione e pulizia, al costo di una minore stabilità meccanica del fascio che, essendo supportato a sbalzo, è sottoposto a maggiori sollecitazioni, anche di carattere dinamico per le vibrazioni. Sono sconsigliati per fluidi corrosivi o sporcanti, in quanto in corrispondenza del ripiegamento ad U si può avere erosione localizzata dei tubi e la formazione di incrostazioni (o fouling).

Gli scambiatori a chioma vengono anche impiegati come elemento riscaldante all'interno di apparecchiature più grandi, ad esempio nei ribollitori tipo kettle.

Il tipo più semplice di scambiatore a fascio tubiero è il doppio tubo, in pratica un unico tubo circondato da una camicia. Come si vedrà in seguito.