I 9 errori più comuni nell’installazione e nella messa in servizio di uno scambiatore

Quali sono i 9 errori più comuni nell’installazione e nella messa in servizio di uno scambiatore di calore?:

In oltre 40 anni di storia di SACOME come punto di riferimento nel campo degli scambiatori di calore e dell’industria di processo, la nostra azienda ha fornito migliaia di apparecchiature per molteplici e diverse applicazioni.

Nel presente articolo abbiamo raccolto i guasti più tipici che si verificano durante l’installazione e la messa in servizio di uno scambiatore di calore, errori che possono avere un impatto negativo sulle prestazioni dell’apparecchiatura e, in alcuni casi, possono persino causarne la rottura o il collasso.

Per questo motivo raccomandiamo ai nostri clienti di seguire i consigli del nostro Ufficio Tecnico, nonché le raccomandazioni di installazione riportate nel nostro manuale di istruzioni e funzionamento.

1. Disposizione errata dei sensi di circolazione dei fluidi nello scambiatore.

In base alla direzione di circolazione del flusso del fluido caldo e del fluido freddo in un’apparecchiatura, esistono 2 modi per installare uno scambiatori di calore, come si può osservare nell’immagine seguente:

Salvo in alcune applicazioni molto specifiche, uno scambiatore di calore ha una maggiore efficienza quando è installato in controcorrente, poiché con questa disposizione si ottiene una maggiore differenza logaritmica media delle temperature (in breve, LMTD) tra il fluido caldo e quello freddo, il che si traduce in maggiore prestazioni termiche e, quindi, in una minore superficie di scambio richiesta. Tuttavia, in alcuni processi specifici può essere preferibile una disposizione in controcorrente, pertanto il nostro Ufficio Tecnico vi consiglierà la soluzione migliore per il vostro caso specifico in fase di progettazione.

Detto questo, quando il cliente procede all’installazione e alla messa in servizio dell’apparecchiatura, può erroneamente disporre in modo errato le entrate e le uscite del servizio, nel qual caso l’apparecchiatura può essere installata in equicorrente anziché in controcorrente, il che, per i motivi sopra esposti, può avere un impatto negativo sulle prestazioni dello scambiatore di calore.

Per illustrare questa situazione, facciamo un esempio. Nel calcolo termico riportato di seguito, riproduciamo un processo calcolato in controcorrente:

Ora simuleremo lo stesso scambiatore con lo stesso processo, ma questa volta considereremo la disposizione in equicorrente:

Come possiamo osservare, l’impianto passa dal poter eseguire perfettamente il processo (poiché l’eccesso di superficie è del 14,92%) ad avere un eccesso di superficie negativo (-29,33%), per cui mancherà superficie di scambio e non sarà possibile raggiungere le temperature. La spiegazione di questo fenomeno è che la differenza logaritmica media delle temperature (nei fogli di calcolo la vediamo come EMTD) si riduce da 26 ºC (in controcorrente) a 16 ºC (in equicorrente), diminuendo le prestazioni termiche dell’apparecchiatura.

In pratica, per evitare questo tipo di problemi, è sufficiente rispettare la disposizione delle entrate e delle uscite riportata nel piano di fabbricazione che inviamo al cliente, che nella maggior parte dei casi corrisponde a una disposizione in controcorrente.

2. Sovrapressioni dovute a un circuito idraulico chiuso mal progettato.

Esistono diversi motivi per cui può verificarsi una sovrapressione insolita durante il funzionamento di uno scambiatore di calore tubolare, come ad esempio un colpo d’ariete o il surriscaldamento di uno dei fluidi di lavoro. Questa sovrapressione può causare sia una deformazione plastica che la rottura parziale o totale del mantello o dei tubi interni, oppure il collasso del soffietto, effetti che possono rendere inutilizzabile l’apparecchiatura.

A questo proposito, alleghiamo alcune foto tipiche del collasso degli scambiatori e, in particolare, della guarnizione di espansione, a causa di sovrapressioni sul lato mantello:

Nel caso in questione, ovvero la sovrapressione in un circuito di acqua calda mal progettato, è indispensabile installare un vaso o serbatoio di espansione nel circuito chiuso dell’acqua. Questo componente ha la funzione di assorbire l’aumento di pressione del fluido termovettore (ad esempio acqua o acqua glicolata) quando questo si riscalda. Tale fluido, aumentando la sua temperatura, tende ad aumentare anche il suo volume e, se il fluido si trova in un volume chiuso e non vi è alcun componente in grado di assorbire questa dilatazione, si verificheranno importanti sovrapressioni che possono causare il collasso di elementi quali la guarnizione di espansione o i tubi interni dello scambiatore.

Di seguito è riportato lo schema tipico di un circuito idraulico chiuso in cui, tra gli altri componenti necessari, quali pompe, manometri, valvole, scarichi o spie, è possibile vedere il vaso o il serbatoio di espansione. Si tratta di un’installazione tipica nei processi di recupero del calore in un impianto.

3. Blocco dei supporti.

A seconda della disposizione dell’apparecchiatura (installazione orizzontale, verticale, uno o più moduli in serie, ecc.), lo scambiatore può essere appoggiato o sostenuto sulla fondazione in un modo o nell’altro. Ad esempio, nel caso di un unico modulo con disposizione orizzontale, questo può essere appoggiato su 2 culle o piedini di supporto, come si può vedere nella figura seguente:

Se i bulloni di fissaggio al suolo sono ancorati in modo tale da non consentire il movimento dello stesso, si verificheranno sforzi eccessivi sulla guarnizione di espansione e sulle saldature tubo-piastra, che potrebbero causare crepe in tali saldature. Tenendo conto di ciò, se lo scambiatore è fissato in 2 punti, è opportuno lasciare uno di essi scorrevole o in modo tale da consentire la libera dilatazione.

In molti casi il supporto o telaio è compreso nella fornitura, nel qual caso teniamo già conto di questo tipo di dettagli costruttivi. Tuttavia, se così non fosse e il cliente decidesse di realizzarlo con altri mezzi, è importante che l’azienda installatrice tenga conto di questo tipo di dettagli, al fine di evitare tensioni (e possibili rotture) nell’apparecchiatura. Questa è una delle raccomandazioni che riportiamo nel nostro manuale di istruzioni e funzionamento.

4. Progettazione errata della linea di condensa.

In un condensatore o scambiatore acqua/vapore, se lo spurgo dei condensati non viene effettuato correttamente, il lato del carter può iniziare ad allagarsi, causando lo scontro del vapore con lo strato di liquido e provocando forti rumori e vibrazioni. Per rilevare questa anomalia è sufficiente toccare delicatamente la parte superiore e inferiore dell’involucro dell’apparecchiatura una volta che è in funzione con il vapore. Se la parte superiore è calda e quella inferiore fredda, è possibile che l’involucro sia allagato fino al livello in cui cambia la temperatura della superficie. Questa anomalia è uno dei tipi di colpo d’ariete che possono verificarsi in una linea di processo.

5. Eccessivo sporco o “fouling”.

Il “fouling” è un fenomeno che riduce il coefficiente di trasferimento termico, aumenta le perdite di carico e può persino attivare e accelerare i processi di corrosione. Esistono diversi meccanismi di sporcamento: cristallizzazione (tipica in acque molto dure e ricche di sali come carbonato di calcio, calcare), sedimentazione (deposizione di sabbia, ossido o altri solidi in sospensione), chimico (in processi in cui il prodotto può degradarsi a causa della temperatura), congelamento (quando una parte del prodotto si congela a causa delle temperature di processo), biologico (quando si lavora acqua non trattata, in modo che possano proliferare diversi tipi di organismi o microrganismi), precipitazione di proteine (tipico nei prodotti derivati dal latte), tra gli altri.

Data la complessità di questo fenomeno, anche la soluzione non è solitamente banale e comporta diversi aspetti. Al fine di ridurre al minimo il problema e aumentare i tempi di produzione tra una pulizia e l’altra, è possibile adottare le seguenti misure:

• Al momento di effettuare il calcolo termico, è possibile considerare un elevato eccesso di superficie o introdurre fattori di sporcamento, come fattore di sicurezza. Ciò darà all’apparecchiatura un margine di sporcamento e consentirà di continuare a raggiungere le temperature.
• Far circolare il fluido più “sporco” sul lato tubi, che è più facile da pulire rispetto al lato mantello.
• Progettare l’apparecchiatura in modo da garantire un’elevata velocità di processo del fluido di processo, riducendo al minimo il fouling.
• Disporre di una progettazione della piastra tubiera flangiata per poter smontare, se necessario, la riduzione o la testa e poter accedere al lato tubi.
• Nel caso in cui il fluido sporco circoli sul lato mantello, optare per una progettazione del fascio tubiero smontabile.

6. Proprietà del prodotto diverse da quelle considerate in fase di progettazione.

Questo non è un difetto che possiamo associare a un’installazione o messa in servizio errata, ma piuttosto a un errore di progettazione. Tuttavia, dato che a volte può essere sottovalutato, riteniamo opportuno includerlo in questo articolo.

Per simulare correttamente il calcolo termico di uno scambiatori di calore, è indispensabile conoscere con la massima precisione possibile le proprietà termiche dei fluidi che circolano sia sul lato tubi che sul lato mantello.

Le principali proprietà termiche sono la densità, il calore specifico, la conducibilità termica e la viscosità o le curve di viscosità, a seconda del comportamento newtoniano o non newtoniano del fluido.

SACOME dispone di un ampio database di oltre 600 fluidi. D’altra parte, grazie alla nostra stretta collaborazione con i laboratori di diverse università, nel caso in cui il prodotto da trattare sia un prodotto nuovo sul mercato o il nostro cliente non conosca i parametri sopra menzionati, possiamo effettuare prove di proprietà nei loro laboratori. Questo ci fornisce una base molto solida su cui calcolare l’apparecchiatura più adatta alle esigenze del cliente.

Di seguito illustreremo con un semplice esempio l’influenza che la variazione di alcuni di questi parametri può avere sulle prestazioni di uno scambiatori di calore.

Dato un programma di temperature casuale, questo è il calcolo termico di un’apparecchiatura per la quale abbiamo ipotizzato che sia sul lato mantello che sul lato tubi circoli acqua:

Questo è il calcolo per lo stesso scambiatore, ma in questo caso il fluido ha una viscosità di 5 cP, simile alla viscosità di alcuni succhi di frutta:

Come si può osservare, il calcolo con il fluido più viscoso dà un eccesso di area chiaramente negativo e mancherebbe area di scambio per realizzare il processo. Al contrario, nel primo caso (prodotto con la viscosità dell’acqua) il processo si realizzerebbe perfettamente. Al fine di evitare questo tipo di problematica, è importante trasmettere al nostro Ufficio Tecnico tutte le informazioni disponibili sui prodotti da trattare, in modo che i nostri tecnici possano stabilire le proprietà termiche adeguate.

Data l’importanza che questo aspetto può assumere, dedichiamo un articolo tecnico per approfondirlo:

https://www.sacome.com/it/analisi-proprieta-termiche-fluidi

7. Corrosione dovuta all’uso di un fluido detergente troppo aggressivo.

L’imbrattamento o “fouling” in uno scambiatori di calore è un fenomeno complesso che può dare origine a diversi tipi di depositi e incrostazioni, come depositi di oli e grassi, incrostazioni di calcare, diversi tipi di depositi organici, fanghi o ossidi metallici. In caso di pulizia chimica (Cleaning-in-Place o in breve CIP), è possibile utilizzare soluzioni detergenti con diversi agenti e concentrazioni, come ad esempio acido cloridrico (HCl), acido fosforico (H₃PO₄), acido nitrico (HNO₃), acido citrico (C₆H₈O₇), soda caustica (NaOH) e diversi polifosfati (come NaPO₄ o Na₃PO₄).

Alcuni di questi agenti sono molto aggressivi, il che, insieme alle temperature alle quali viene solitamente effettuata la pulizia chimica (normalmente tra 60 ºC e 80 ºC), può causare problemi di corrosione (generalizzata o localizzata, come corrosione da puntinatura o interstiziale) nel materiale di costruzione dello scambiatore.

Di seguito forniamo alcune linee guida di base da tenere in considerazione quando si esegue la pulizia CIP:

• Consultare un’azienda specializzata sui prodotti di pulizia e sulle concentrazioni da utilizzare, nonché sul protocollo di pulizia, tenendo conto del materiale di costruzione dello scambiatore, sia dei tubi che delle guarnizioni.
• Far circolare i prodotti di pulizia e le concentrazioni seguendo le raccomandazioni di questa azienda specializzata. Prodotti come l’acido cloridrico (HCl), l’acido fosforico, l’acido nitrico, tra gli altri, possono essere molto aggressivi ad alte temperature.
• Una volta terminato il ciclo di pulizia chimica, è opportuno procedere al risciacquo completo con acqua. In caso contrario, la soluzione può decantarsi e in alcune zone dell’apparecchiatura aumentare la concentrazione dell’elemento detergente, aumentando il rischio di corrosione.

8. Corrosione dovuta all’utilizzo di acqua di servizio con elevato contenuto di cloruri.

A volte il cliente utilizza un’acqua di servizio non trattata o di bassa qualità, con un elevato contenuto di sali e ioni cloruro, che, insieme alle elevate temperature di processo, può causare corrosione localizzata se la qualità dell’acciaio inossidabile utilizzato non è adeguata.

Nell’immagine possiamo vedere la connessione di ingresso del mantello di un’apparecchiatura con acqua di servizio ad elevata durezza e ppm di Cl-, che ha causato un elevato sporcamento oltre a dare inizio alla corrosione dei tubi.

9. Congelamento del prodotto.

Se, all’arresto del sistema, le unità non vengono completamente svuotate, con conseguente presenza di fluido al loro interno, e la temperatura ambiente scende al di sotto di 0 °C, sussiste il rischio di congelamento del prodotto stagnante, che può danneggiare i tubi degli scambiatori. Si consiglia pertanto di installare valvole di scarico nei punti più bassi dell’installazione. Nell’immagine è possibile vedere un apparecchio danneggiato dall’acqua che è rimasta all’interno e si è solidificata quando la temperatura è scesa sotto lo 0 °C.

Un’altra possibile soluzione è quella di utilizzare soluzioni con antigelo (ad esempio glicole propilenico in proporzione adeguata), con un punto di congelamento inferiore a quello dell’acqua.

Per tutti i motivi sopra esposti, raccomandiamo ai nostri clienti di seguire le raccomandazioni del nostro Ufficio Tecnico e le procedure riportate nel nostro manuale di istruzioni e funzionamento.

Documentazione tecnica sui nostri scambiatori di calore