Come si confronta uno scambiatore di calore a piastre-e-con telaio con guarnizioni in PTFE e un'unità con guscio-e-tubo in PTFE?

Gli scambiatori a fascio tubiero-e-regnano sovrani in ambienti corrosivi, ma gli scambiatori a piastre-e-a telaio con guarnizioni in fluoropolimero forniscono un'alternativa interessante. La loro geometria di base porta a caratteristiche prestazionali distinte che possono essere utili in alcune applicazioni. Per fluidi di processo puliti e a pressione moderata, un design a piastra-e-telaio con guarnizioni in PTFE può offrire una migliore efficienza di trasferimento del calore e un ingombro notevolmente inferiore rispetto a uno scambiatore a guscio-e-tubi in PTFE standard.

Panoramica della progettazione di piastre e telaio e di progettazione di tubi e gusci
Gli scambiatori di calore a piastre-e-a telaio sono costituiti da una successione di piastre metalliche ondulate pressate insieme in un telaio. Ciascuna piastra è dotata di una guarnizione (in questo caso PTFE o qualsiasi altro fluoropolimero) che sigilla i canali di flusso e dirige i fluidi caldi e freddi in percorsi alternativi. I fluidi scorrono attraverso i sottili spazi tortuosi tra le piastre in una direzione di flusso contro-corrente o incrociata-. Le ondulazioni favoriscono la turbolenza anche a basse portate, il che migliora notevolmente la trasmissione del calore.

Gli scambiatori di calore a fascio tubiero-e-in PTFE (come descritto in dettaglio in altri articoli) sono costituiti da un fascio di tubi in PTFE alloggiati in un guscio di metallo o plastica. Il fluido di servizio scorre dall'altro lato e il fluido corrosivo scorre attraverso i tubi (o attorno ad essi). Le pareti del tubo in PTFE sono piuttosto spesse, quindi il trasferimento di calore avviene per conduzione. Il flusso è generalmente laminare o a bassa-turbolenza a meno che non vengano utilizzate velocità elevate .

La differenza principale è la sostanza della superficie di trasferimento del calore. Nella struttura a piastre-e-del telaio, le piastre sono in metallo (solitamente acciaio inossidabile, Hastelloy, titanio o altre leghe) e solo le guarnizioni sono in PTFE. Il fluido di processo è a contatto con le piastre metalliche e le guarnizioni in PTFE. L'unità tubo-e-in PTFE ha tutte le superfici bagnate in PTFE, che ha una resistenza universale alla corrosione ma una conduttività termica sostanzialmente inferiore.

Prestazioni termiche: valori U-più elevati ottenuti grazie alla geometria della piastra
Lo scambiatore a piastre e telaio presenta il vantaggio maggiore in termini di coefficiente di trasferimento del calore complessivo (valore U-). Ciò è dovuto a una serie di cause.

Piastre metalliche sottili - Lo spessore delle piastre è normalmente compreso tra 0,5 e 1,0 mm rispetto alle pareti del tubo in PTFE comprese tra 1,0 e 2,0 mm. I metalli (acciaio inossidabile ~15 W/m·K, titanio ~17 W/m·K, Hastelloy ~10 W/m·K) trasmettono ordini di grandezza del calore meglio del PTFE (~0,25 W/m·K). La piastra metallica è un conduttore di calore decisamente migliore anche tenendo conto della resistenza delle guarnizioni di tenuta in PTFE (che rappresentano solo una piccola frazione della superficie totale).

Elevata turbolenza - Il design della piastra ondulata provoca un'elevata turbolenza locale. Ciò interrompe gli strati limite e riduce significativamente la resistenza convettiva su entrambi i lati dei fluidi. Nei sistemi in PTFE a fascio{3}}e-tubo, il flusso nei tubi in PTFE di-diametro piccolo è solitamente laminare a meno che non venga utilizzata una potenza di pompaggio significativa, e anche il flusso lato mantello-è relativamente moderato.

I veri sistemi a-flusso di corrente - a piastre-e-a telaio possono produrre un flusso di controcorrente-quasi perfetto, massimizzando la differenza di temperatura media logaritmica (LMTD). Gli scambiatori a fascio tubiero in PTFE sono generalmente configurati in configurazioni a flusso incrociato o a flusso misto che sono meno efficienti dal punto di vista termodinamico.

In pratica, per la stessa coppia di fluidi, ci si può aspettare che uno scambiatore di calore a piastre-e-telaio con guarnizioni in PTFE abbia un valore U-complessivo da tre a cinque volte superiore a quello di un'unità tubolare-e-in PTFE. Nel servizio idrico-uno scambiatore a piastre può ottenere 3.000-5.000 W/m²·K, mentre un'unità a fascio tubiero-in PTFE può raggiungere solo 200-400 W/m²·K. Nei servizi chimici corrosivi il beneficio è ancora ampio ma i valori assoluti dipendono dalle qualità del fluido e dalla tendenza all'incrostazione.

Ingombro e peso: compattezza del design della piastra
Il valore U- è molto maggiore, quindi uno scambiatore a piastre-e-a telaio richiede una superficie molto inferiore per trasmettere un determinato carico termico. L'ingombro risultante è tipicamente da un-terzo a un-quinto di quello di uno scambiatore di calore a fascio tubiero in PTFE con le stesse prestazioni termiche. Anche il peso è notevolmente ridotto in quanto il pacco piastre è molto più leggero di un fascio di tubi in PTFE con involucro metallico.

La compattezza del design della piastra-e-del telaio rappresenta un chiaro vantaggio per le applicazioni in cui lo spazio è limitato, come il retrofit su skid di processo esistenti, piattaforme offshore o impianti chimici modulari. Uno scambiatore a fascio tubiero-e-in PTFE con prestazioni simili potrebbe essere lungo diversi metri e occupare una superficie considerevole, mentre uno scambiatore a piastre può essere installato verticalmente o orizzontalmente in una frazione di questo spazio.

Limitazioni di pressione e temperatura
Le unità a fascio tubiero (guscio metallico) in PTFE possono essere utilizzate per pressioni da moderate ad elevate, tipicamente 6-10 bar sul lato tubo, 10-20 bar sul lato guscio, a seconda del design. I tubi in PTFE sono a pressione limitata, ma l'involucro metallico è saldamente contenuto. I tubi in PTFE possono tollerare temperature comprese tra 110 e 120 gradi; Tubi PFA, da 150 a 180 gradi.

Limiti più severi si applicano agli scambiatori a piastre-e-a telaio con guarnizioni in PTFE:

Pressione – Le guarnizioni devono essere sufficientemente compresse da sigillare contro le piastre. La forza di serraggio richiesta aumenta con l'aumento della pressione interna e aumenta la possibilità di estrusione o perdita della guarnizione. Le pressioni di esercizio massime tipiche per gli scambiatori a piastre con guarnizione in PTFE- sono 6-10 bar (85-145 psi), con alcuni sistemi fino a 15 bar. Pressioni più elevate richiedono piastre più spesse, telai più pesanti e forme di guarnizioni specifiche, con conseguente aumento delle spese.

Temperatura - Le guarnizioni in PTFE iniziano a deformarsi e perdono la loro forza di tenuta oltre i 150-180 gradi circa. Ciò dipende dal tipo di fluoropolimero utilizzato (PTFE, PFA o PTFE modificato). Il funzionamento oltre i 160 gradi non è normalmente consigliato per il funzionamento continuo. Alcuni modelli di guscio-e-tubi in PTFE (con tubi in PFA) possono funzionare fino a 180-200 gradi, ma i limiti effettivi sono spesso inferiori.

Per servizi corrosivi ad alta pressione o alta temperatura, l'unità con guscio e tubo in PTFE può essere l'unica opzione. Per condizioni blande (ad es. . 5 bar e 100 gradi) lo scambiatore a piastre è del tutto adatto.

Resistenza alla corrosione: piastre in lega o interamente in fluoropolimero
Gli scambiatori a fascio tubiero in PTFE sono universalmente resistenti alla corrosione. Il PTFE è quasi completamente inerte verso tutte le sostanze ad eccezione dei metalli alcalini fusi e del fluoro elementare ad alta temperatura. Sono quindi adatti per acidi misti altamente aggressivi, acqua regia, acido nitrico forte e altri fluidi che attaccherebbero la maggior parte dei metalli.

Gli scambiatori a piastre-e-a telaio con guarnizioni in PTFE dipendono dalle piastre metalliche per la protezione primaria dalla corrosione. Le guarnizioni sono l'unica parte in PTFE. Pertanto il materiale della piastra deve essere scelto per resistere al particolare fluido di processo. Ecco alcune opzioni comuni:

Acciaio inossidabile (304/316) – Solo per acidi delicati e soluzioni neutre.

Hastelloy C-276 o B-3 - Eccellente resistenza all'acido cloridrico, all'acido solforico e alle condizioni riducenti. Attaccato da potenti acidi ossidanti.

Titanio (Grado 2, Grado 7) - Eccellente resistenza agli acidi ossidanti (nitrico, cromico) e ai cloruri. Verrà attaccato dall'acido fluoridrico e da alcuni acidi riducenti.

Zirconio o tantalio - Leghe esotiche per circostanze difficili, ma molto costose.

Lo scambiatore a piastre può rappresentare una soluzione economicamente vantaggiosa se il fluido di processo è compatibile con una lega a piastre accessibile (ad es. titanio per acido nitrico, Hastelloy per HCl). Tuttavia, quando il fluido comprende diverse specie ostili (ad esempio una miscela di acidi con componenti sia ossidanti che riducenti), nessun metallo può essere accettabile. In questi casi l'unità tubo-e-tubo in PTFE con la sua resistenza universale è la scelta più sicura.

Incrostazioni, pulizia, manutenzione
Gli scambiatori a piastre-e-telaio possono essere semplicemente smontati per la pulizia. Le piastre sono smontabili una ad una e possono essere pulite meccanicamente (spazzolatura, lavaggio a pressione) o chimicamente. Questo è un grande vantaggio per i servizi che generano incrostazioni morbide o appiccicose. Tuttavia i minuscoli pori tra le piastre (solitamente 2-5 mm) sono suscettibili di riempimento da parte di particelle, fibre o sostanze cristallizzanti. Uno scambiatore a piastre necessita di un filtro o filtro ben costruito a monte per rimuovere le particelle più grandi di circa 1 mm.

Gli scambiatori a guscio-e-tubo in PTFE offrono canali di flusso più grandi (diametri interni dei tubi spesso 5–15 mm) e sono meno soggetti a intasamenti. La superficie liscia in PTFE a basso attrito impedisce inoltre l'adesione di numerosi depositi (vedi articolo sull'energia superficiale). Ma è più difficile da pulire." La pulizia dell'interno dei tubi viene eseguita meccanicamente (strumenti speciali - spazzole per tubi) e spesso chimicamente. I tubi non possono essere rimossi uno per uno per l'ispezione, l'intero fascio deve essere rimosso dal guscio.

Uno dei grandi vantaggi dello scambiatore a piastre è che se una guarnizione si deteriora o una piastra si corrode, le singole piastre e guarnizioni possono essere sostituite in poche ore. In un'unità tubolare-e-in PTFE, se un tubo si guasta, potrebbe essere necessario tapparlo (diminuendo la superficie) oppure sostituire l'intero fascio tubiero, un'operazione costosa e dispendiosa in termini di tempo-.

Applicazioni tipiche per ciascuna tecnica
Gli scambiatori a piastre-e-telaio con guarnizioni in PTFE vengono spesso utilizzati nei servizi di pubblica utilità puliti (acqua-acqua, acqua-glicole, vapore a bassa pressione) dove il fluido non è eccessivamente corrosivo. Sono presenti nelle applicazioni dei processi chimici in:

Raffreddamento di acidi diluiti (ad es. . 10% acido solforico) dove è adatto il titanio o l'acciaio inossidabile.

I bagni galvanici vengono utilizzati con una buona filtrazione e temperature moderate.

Recupero di calore da flussi corrosivi relativamente puliti.

Gli scambiatori a fascio tubiero-e-in PTFE sono l'opzione preferita per servizi acidi altamente corrosivi, ossidanti o carichi di particolato-come:

Linee di decapaggio acido misto (HNO3+HF)

Concentrato caldo acido cloridrico.

Acqua regia e altre miscele dure.

Trattamento degli acidi di scarto con composizione fluida variabile

Tabella comparativa: piastra e telaio rispetto a guscio e tubo (PTFE)
Caratteristiche Piastra e telaio con involucro in PTFE e guarnizioni del tubo in PTFE
Coefficiente di trasferimento termico complessivo (valore U-) Alto (3-5 volte maggiore di quello a guscio- e tubo) Basso (conduttività del PTFE limitata)
Impronta (per servizio) (1× linea di base) Piccola Grande (3-5 volte più grande)
Pressione massima sostenuta6-10 bar (più alta con design specifico)6-10 bar sul lato del tubo (il guscio metallico può essere più alto)
Massimo. temperatura continua 150–180 gradi (guarnizione-limitata)110–120 gradi (tubi di PTFE); 150–180 gradi (tubi di PFA)
La resistenza alla corrosione dipende dalla lega della piastra Guarnizioni in PTFEUniversali (PTFE o PFA su tutte le superfici bagnate)
Sensibilità alle particelle di polvere Alta (spazi sottili che tendono a ostruirsi) Bassa (diametri dei tubi maggiori; superficie liscia)
Di facile manutenzioneOttimo (le piastre possono essere smontate e spazzolate)Discreto (necessita di pulizia chimica o spazzolatura dei tubi)
Riparabilità Elevata (singole piastre e guarnizioni sostituibili) Limitata (tamponamento del tubo o sostituzione del fascio)
Primo costo (ad esempio servizio) Servizi puliti e moderati inferiori Migliore resistenza generale alla corrosione
Applicazioni tipiche • Acidi diluiti puliti • Bagni galvanici • Servizi idrici Acidi misti aggressivi, acidi ossidanti, flussi di scarico di varia composizione
Guida alle decisioni: scegliere lo scambiatore giusto
La decisione per uno scambiatore a piastre e telaio con guarnizioni in PTFE o un'unità fascio tubiero in PTFE dovrebbe dipendere dalla pulizia, dalla corrosività, dalla pressione e dall'area disponibile per il fluido.

Seleziona uno scambiatore a piastre-e-a telaio se:

Il fluido di processo è pulito e le particelle sono inferiori a 1 mm (o è prevista una filtrazione adeguata).

Il fluido è compatibile con una lega metallica di prezzo moderato (acciaio inossidabile, titanio, Hastelloy) alla temperatura di esercizio.

La pressione di esercizio è inferiore a 10 bar e la temperatura è inferiore a 150 gradi.

Lo spazio è limitato ed è importante un ingombro compatto.

Molto importante è la facilità di smontaggio e pulizia.

Lo scambiatore verrà utilizzato per il recupero di calore o per servizi di pubblica utilità invece del contatto diretto con acidi misti molto reattivi.

Scegli uno scambiatore di calore a fascio tubiero-e-in PTFE quando:

Il fluido è composto da potenti acidi ossidanti (nitrico, cromico) o acidi combinati che attaccherebbero qualsiasi metallo.

La composizione del fluido è imprevedibile o scarsamente caratterizzata, pertanto esiste un rischio nella scelta della lega.

Il fluido contiene particelle, fibre o cristalli che potrebbero ostruire piccoli spazi tra le piastre.

Operating pressure >10 bar or temperature >150 gradi (con tubo PFA).

È necessaria una resistenza universale alla corrosione senza il rischio di attacchi localizzati o vaiolature.

L'impianto non ha la capacità di manutenzione necessaria per smontare e sostituire regolarmente le guarnizioni.

Entrambe le tecnologie coesistono-a-fianco in molti ambienti di processi chimici. Uno scambiatore a guscio-e-tubo può essere scelto per un servizio di riscaldamento con acido misto altamente corrosivo, mentre uno scambiatore a piastre-e-telaio con piastre in titanio e guarnizioni in PTFE gestisce un servizio di raffreddamento con acido nitrico pulito e diluito altrove nello stesso impianto.

Conclusione: efficienza compatta o robustezza universale
Gli scambiatori di calore a piastre e telaio con guarnizioni in PTFE forniscono elevata efficienza termica e ingombro ridotto grazie all'elevata turbolenza e alle piastre metalliche sottili. I loro valori U-sono da tre a cinque volte superiori a quelli delle unità con guscio e tubo in PTFE, con conseguente ingombro e peso notevolmente ridotti.