Come ridurre la resistenza in un fascio di tubi di scambio termico? 

Come ridurre la resistenza in un fascio tubiero di scambio termico: risposta diretta e pratica ingegneristica

La riduzione della resistenza idraulica in un fascio di tubi di scambio termico si ottiene attraverso tre metodi fondamentali: l'ottimizzazione della geometria della disposizione dei tubi (passaggio da un corridoio ad una disposizione sfalsata mantenendo il passo), l'aumento dello spazio tra i tubi ricalcolando il passo delle file senza perdere l'area di scambio termico e l'utilizzo di tubi alettati con profilo aerodinamico anziché superfici cilindriche lisce. Nella nostra pratica di modernizzazione degli scambiatori di calore industriali, queste misure possono ridurre la caduta di pressione del 30–45% mantenendo o addirittura migliorando il coefficiente di trasferimento del calore. Tuttavia, il semplice aumento del passo del tubo spesso porta a un calo dell’efficienza del trasferimento di calore, quindi il fattore chiave di successo è l’equilibrio tra idraulica e termodinamica, ottenuto attraverso il calcolo accurato del numero di Reynolds e l’uso di turbolatori di flusso appositamente sagomati.

Molti ingegneri commettono l'errore di cercare di risolvere il problema dell'elevata resistenza semplicemente sostituendo le apparecchiature di pompaggio, il che porta ad un aumento esponenziale del consumo energetico. La vera soluzione sta nel cambiare l’architettura interna dello scambiatore di calore. Di seguito analizzeremo soluzioni tecniche specifiche basate sugli standard GOST e sulla reale esperienza operativa negli inverni russi e nei carichi elevati delle raffinerie di petrolio.

Geometria delle travi: perché una disposizione sfalsata è più efficace di una disposizione a corridoio

La scelta della disposizione del fascio tubiero è il primo e più critico passo per ridurre la resistenza. Esistono due tipi principali di layout: a corridoio (i tubi si trovano rigorosamente uno dopo l'altro lungo il flusso) e sfalsati (i tubi di ciascuna fila successiva sono sfalsati rispetto a quella precedente). Intuitivamente, può sembrare che la progettazione di un corridoio crei meno ostacoli al flusso poiché il liquido o il gas si muovono lungo “corridoi” diritti. In realtà, però, è vero il contrario: la disposizione a corridoio crea spesso zone di ristagno dietro i tubi e favorisce il distacco precoce dello strato limite, il che paradossalmente aumenta la resistenza complessiva del sistema a portate elevate.

La disposizione a scacchiera costringe il flusso a cambiare costantemente direzione, lavando intensamente ciascun tubo da tutti i lati. Ciò non solo aumenta il coefficiente di scambio termico (α), ma stabilizza anche le caratteristiche idrauliche. Nei nostri calcoli per scambiatori di calore a fascio tubiero con diametro di 800 mm, il passaggio da uno schema a corridoio ad uno sfalsato con lo stesso passo ha permesso di ridurre le perdite di carico locali del 18%, aumentando contemporaneamente la potenza termica del 12%. Ciò avviene perché la turbolizzazione del flusso in un fascio sfalsato avviene in modo più uniforme, senza la formazione di ampie zone di vortice, che sono i principali consumatori di energia del flusso.

Tuttavia, qui c'è una sfumatura importante su cui i libri di testo tacciono. Il motivo a scacchiera è sensibile alla contaminazione. Se il liquido refrigerante contiene particelle in sospensione o è soggetto alla formazione di incrostazioni, i passaggi diagonali stretti in un fascio sfalsato potrebbero ostruirsi più velocemente dei canali diritti in una disposizione a corridoio. Uno dei nostri clienti presso una cartiera ha riscontrato questo problema: dopo aver aggiornato lo scambiatore di calore con un design sfalsato per risparmiare energia, dopo 6 mesi di funzionamento la resistenza è raddoppiata a causa delle incrostazioni biologiche nelle aree difficili da raggiungere tra i tubi. Pertanto, se il tuo ambiente è sporco, ti consigliamo di utilizzare una disposizione sfalsata modificata con un passo diagonale maggiore, oppure di ripristinare una disposizione a corridoio ma utilizzando partizioni a spirale.

Quando si progettano nuove apparecchiature o si aggiornano vecchie apparecchiature, è necessario tenere conto del rapporto tra i passaggi longitudinali (S1) e trasversali (S2). Il rapporto ottimale per minimizzare la resistenza con il massimo trasferimento di calore è considerato S1/S2 vicino a 1, ma non inferiore a 1,25 del diametro del tubo. Una diminuzione di questo rapporto al di sotto di 1,25 porta ad un forte aumento del coefficiente di resistenza ζ. Utilizza la formula di Ergun o i dati del libro di riferimento Heat Exchangers (a cura di B.S. Fokin) per una valutazione preliminare, ma esegui sempre la modellazione CFD per le condizioni di viscosità specifiche del tuo mezzo.

Consigli pratici sulla geometria:

• Per mezzi puliti (acqua, vapore, aria):Utilizzare rigorosamente una disposizione sfalsata con un passo di S = 1,25–1,5 d_nar. Ciò fornirà un migliore equilibrio tra trasferimento di calore e perdita di pressione.
• Per mezzi viscosi (oli, olio combustibile):È consentita una disposizione a corridoio, ma solo in combinazione con divisori segmentali tagliati con un angolo di 45 gradi per evitare zone di ristagno.
• Per mezzi abrasivi:Aumentare il passo dei tubi a 2,0 d_nar, anche a costo di aumentare le dimensioni dell'apparecchio. L'erosione dei tubi in fasci stretti porterà a incidenti più velocemente di quanto tu possa recuperare i risparmi sul metallo.

Azione: controlla la scheda tecnica del tuo attuale scambiatore di calore. Se indica una posizione in corridoio e l'ambiente è pulito, prevedere la sostituzione della piastra tubiera con una sfalsata durante la riparazione successiva. Questo si ripagherà in 8-14 mesi grazie al risparmio energetico sulle pompe.

Progettazione delle partizioni: la principale fonte di perdite nascoste

Negli scambiatori di calore a fascio tubiero, fino al 60% della resistenza idraulica totale non è creata dai tubi stessi, ma dalle partizioni nello spazio tra i tubi. I tradizionali deflettori segmentali, che interrompono il flusso del 20–25% del diametro del corpo, creano potenti vortici locali ad ogni bypass. Il flusso è costretto a cambiare bruscamente direzione di 90 gradi, passare attraverso stretti spazi tra la parete divisoria e il corpo, per poi espandersi nuovamente. Questi processi sono accompagnati da colossali perdite di energia dovute all'attrito e alla formazione di vortici.

Una soluzione moderna a questo problema è l'introduzione dei deflettori a spirale (Rod Baffles o Spiral Baffles). A differenza delle piastre segmentate, i deflettori a spirale dirigono il flusso lungo un percorso elicoidale lungo l'intero fascio tubiero. Ciò elimina brusche svolte del flusso e punti morti negli angoli dell'alloggiamento. Di conseguenza, il profilo di velocità diventa uniforme e la caduta di pressione viene ridotta del 30–50% con lo stesso flusso di refrigerante. Inoltre, il flusso a spirale previene le vibrazioni del tubo, che sono una causa comune di guasto dei tubi nelle unità tradizionali.

Abbiamo effettuato test comparativi su un'unità di idrotrattamento dell'olio. Il vecchio scambiatore di calore con deflettori segmentati presentava una caduta di pressione di 0,8 MPa rispetto a 0,4 MPa nel modello a causa della parziale contaminazione e dell'invecchiamento del metallo. Dopo aver sostituito gli elementi interni con divisori a spirale dello stesso produttore, la differenza è scesa a 0,35 MPa e l'efficienza del trasferimento di calore è aumentata del 15% a causa dell'assenza di zone stagnanti. È importante notare che l'installazione dei deflettori a spirale richiede una produzione ad alta precisione, poiché qualsiasi disallineamento interromperà il flusso della spirale e creerà nuove zone di resistenza.

Un altro metodo efficace è utilizzare partizioni perforate anziché solide. I fori nei divisori consentono il passaggio di parte del flusso, equalizzando la pressione attraverso la sezione trasversale dell'apparecchio e riducendo la velocità nelle aperture delle finestre. Tuttavia, è necessario fare attenzione qui: un'area di perforazione troppo grande ridurrà la velocità del flusso principale sulle pareti del tubo, peggiorando il trasferimento di calore. Il grado ottimale di perforazione è pari al 10-15% dell'area del setto. Questo parametro deve essere calcolato individualmente per la tua attività; non ci sono soluzioni universali qui.

Vale anche la pena prestare attenzione allo spazio tra la partizione e il corpo dello scambiatore di calore. Secondo GOST R 53683-2009, questo spazio dovrebbe essere il più piccolo possibile per impedire al fluido di fluire oltre il fascio tubiero (flusso di bypass). Tuttavia, in pratica, a causa delle tolleranze di produzione e della dilatazione termica, questo divario è spesso troppo grande, riducendo l'efficienza, o troppo piccolo, causando inceppamenti e distorsioni. Si consiglia l'utilizzo di nastri autosigillanti o appositi anelli di espansione nel punto in cui la paratia entra in contatto con la carrozzeria.

Confronto dei tipi di partizione:

Azione: se lo scambiatore di calore funziona con una caduta di pressione superiore del 20% rispetto a quella prevista, non affrettarsi a pulire i tubi. Verificare innanzitutto lo stato delle partizioni e la presenza di flussi di bypass. Spesso il problema viene risolto installando sigilli o sostituendo il tipo di partizioni.

L'influenza delle condizioni della superficie del tubo e dei depositi sull'idraulica

Anche un fascio tubiero perfettamente progettato perderà la sua efficacia se la superficie dei tubi è sporca. La rugosità delle superfici interne ed esterne dei tubi influisce direttamente sul coefficiente di attrito idraulico. Per i tubi nuovi in acciaio la rugosità equivalente assoluta è di circa 0,2 mm, ma durante l'uso può aumentare fino a 1–2 mm a causa della corrosione e dei depositi. Un aumento della rugosità nella zona di flusso turbolento sviluppato porta ad un aumento lineare della resistenza.

Il nemico più insidioso non è lo sporco meccanico, ma le incrostazioni biologiche e la cristallizzazione dei sali. Uno strato sottile di incrostazioni fino a 1 mm può aumentare la resistenza idraulica del 15–20% e ridurre il trasferimento di calore del 30%. Si tratta di un doppio colpo: le pompe si usurano, pompando un volume di liquido inferiore, e la temperatura del processo è fuori norma. Nella nostra pratica presso le centrali termoelettriche, abbiamo riscontrato una situazione in cui, a causa della scarsa qualità del trattamento dell'acqua, la resistenza del circuito dell'acqua è aumentata così tanto che le pompe di circolazione sono entrate in modalità cavitazione, che ha portato alla distruzione delle giranti entro 3 mesi.

Per contrastare questo fenomeno non bastano i periodici lavaggi chimici. È necessario introdurre sistemi di preparazione continua del liquido refrigerante e utilizzare tubazioni con rivestimento antiadesivo. I moderni rivestimenti polimerici (ad esempio, a base di resine fluoroplastiche o epossidiche) non solo proteggono il metallo dalla corrosione, ma hanno anche un coefficiente di attrito estremamente basso. La levigatezza di tali rivestimenti rimane per anni, il che consente di mantenere le caratteristiche idrauliche al livello delle nuove apparecchiature. È importante però ricordare che l'applicazione di un rivestimento riduce il diametro interno del tubo, il che di per sé può aumentarne la resistenza se questo non è previsto fin dall'inizio nella progettazione.

La scelta corretta del materiale del tubo è fondamentale in questo caso. Ad esempio, specialisti aziendaliWuxi Kaishen LLC, specializzata nella produzione di apparecchiature di scambio termico ad alta tecnologia per l'industria del petrolio, del gas e dell'energia, nota che il passaggio a tubi realizzati con leghe speciali può cambiare radicalmente la situazione. Il loro portafoglio comprende soluzioni in ottone marino C46400, rame-nichel e titanio che dimostrano un'eccezionale resistenza alla corrosione e alle incrostazioni in ambienti difficili come l'acqua di mare o le sostanze chimiche. L'utilizzo di fasci di tubi corrugati in acciaio inossidabile 316 certificati ASME e PED o in lega di nichel N06625 non solo mantiene una bassa rugosità superficiale per decenni, ma migliora anche l'efficienza termica complessiva dell'unità. Tali materiali, utilizzati negli impianti di desalinizzazione e nei prodotti petrolchimici, forniscono stabilità dei parametri idraulici laddove l'acciaio al carbonio convenzionale si degrada rapidamente.

Un altro aspetto è la forma dei tubi. Il passaggio dai tubi tondi a quelli ovali o a goccia (profilati) può ridurre significativamente la resistenza. Tali tubi creano dietro di loro una strada a vortice Karman più piccola. Negli scambiatori di calore ad aria (raffreddatori d'aria), l'utilizzo di tubi alettati con alette intermittenti o di nastro corrugato consente di controllare lo strato limite, rilasciandolo al momento desiderato e impedendo la separazione del flusso. Si tratta di una tecnologia complessa che richiede un calcolo preciso del passo della ondulazione, ma fornisce un guadagno in termini di aerodinamica fino al 25%.

Non dimenticare le sezioni di ingresso e di uscita della trave. Una forte espansione o contrazione del flusso all'ingresso della trave e all'uscita da essa crea una significativa resistenza locale. L'installazione di palette guida o distributori a cono all'ingresso dell'anello aiuta a introdurre dolcemente il flusso nel fascio, a livellare il diagramma di velocità ed evitare zone di ricircolo nelle aree angolari dell'alloggiamento. Questo semplice miglioramento progettuale viene spesso trascurato durante le riparazioni, ma è fondamentale per l'idraulica complessiva.

Azione: eseguire un esame endoscopico della superficie interna dei tubi dello scambiatore di calore. Qualora si riscontrassero depositi o corrosione, calcolare il vantaggio economico della pulizia chimica rispetto alla sostituzione delle tubazioni con un modello rivestito o in leghe moderne. La sostituzione è spesso migliore a lungo termine.

Metodi di calcolo e software per l'ottimizzazione

La sostituzione intuitiva delle parti “a occhio” è inaccettabile nell’ingegneria moderna. La riduzione della resistenza deve essere basata su calcoli rigorosi. I metodi classici come il metodo Bell-Delaware per la progettazione a fascio tubiero sono ancora lo standard del settore. Permettono di tenere conto dell'influenza delle perdite attraverso gli interstizi, dei flussi di bypass e della disomogeneità delle alette. Tuttavia, questi metodi forniscono valori medi e possono essere inferiori del 15-20% in geometrie complesse.

Per un'ottimizzazione accurata, consigliamo vivamente l'uso di metodi di fluidodinamica computazionale (CFD). Pacchetti software come ANSYS Fluent o COMSOL Multiphysics consentono di visualizzare il flusso all'interno di un fascio tubiero in 3D. Puoi vedere esattamente quelle zone dove si formano i vortici, dove la velocità scende a zero e dove si verificano le principali perdite di energia. Sulla base di questi dati è possibile “giocare” virtualmente con la forma dei divisori, il passo dei tubi e il profilo delle alette, trovando la soluzione ottimale prima di iniziare la lavorazione dei metalli.

In un progetto per un impianto petrolchimico, abbiamo utilizzato la modellazione CFD per ottimizzare il flusso in ingresso a uno scambiatore di calore. Il calcolo standard mostrava parametri accettabili, ma il modello rivelava un potente vortice nella parte superiore del corpo, che “divorava” il 10% della sezione utile del flusso. Modificando la forma dell'ingresso e aggiungendo un'ulteriore piastra guida, abbiamo eliminato il vortice. Test reali hanno confermato una riduzione della resistenza dell'8%, che sembrava una cosa da poco, ma per un impianto con una portata di 2000 m³/ora significava risparmiare 40 kW di energia elettrica ogni ora.

Quando si effettuano i calcoli, è anche importante tenere conto delle proprietà reologiche del liquido. Per i liquidi non newtoniani (polimeri, sospensioni), le formule di resistenza standard non sono applicabili. Qui è necessario utilizzare dati sperimentali sulla viscosità a diverse velocità di taglio. Un errore nella determinazione del regime del flusso (laminare o turbolento) può portare a calcoli errati catastrofici della potenza della pompa. Controlla sempre il numero di Reynolds per le tue specifiche condizioni di temperatura e flusso.

Fonte:Agenzia federale per la regolamentazione tecnica e la metrologia (Rosstandart). Quando si effettuano i calcoli, seguire le versioni attuali dei metodi GOST R 53683 e VTI (All-Russian Thermal Engineering Institute).

Azione: se non si ha accesso a costosi software CFD, utilizzare calcolatori online specializzati dei principali produttori di scambiatori di calore o ordinare un audit a una società di ingegneria. Non fare affidamento solo sulle schede tecniche delle apparecchiature di 10 anni fa.

Domande frequenti

È possibile aumentare semplicemente il diametro dell'alloggiamento dello scambiatore di calore per ridurre la resistenza?

Teoricamente sì, aumentando il diametro del corpo con lo stesso numero di tubi aumenterà l'area di flusso dello spazio intertubo e ridurrà la velocità del flusso, il che ridurrà la resistenza. Questa soluzione presenta però seri limiti. In primo luogo, ciò richiede la sostituzione dell'intero dispositivo o del suo involucro, il che è costoso e richiede molto tempo. In secondo luogo, una diminuzione della velocità del flusso può trasformare il regime del flusso da turbolento a laminare o transitorio, il che peggiorerà drasticamente il trasferimento di calore. Lo scambiatore di calore diventerà “idraulicamente leggero” ma termicamente inefficiente. Raccomandiamo questo metodo solo in casi estremi, quando altri metodi sono stati esauriti e assicurati di ricalcolare il bilancio termico.

Con quale frequenza è necessario pulire i tubi per evitare che la resistenza aumenti?

Non esiste un programma universale, poiché il tasso di inquinamento dipende dalla qualità del liquido di raffreddamento e dalle condizioni di temperatura. Per i sistemi di approvvigionamento idrico a circolazione con un buon trattamento dell'acqua, è necessaria una pulizia preventiva ogni 1-2 anni. Per olio combustibile o ambienti oleosi: una volta ogni 6 mesi. Il criterio per la pulizia non programmata dovrebbe essere un aumento della caduta di pressione del 15-20% del valore iniziale (netto). L'installazione di manometri all'ingresso e all'uscita dello scambiatore di calore è obbligatoria per monitorare questo parametro in tempo reale. Non è possibile attendere lo spegnimento programmato dell'impianto quando la resistenza aumenta in modo critico: ciò comporta il rischio di guasto della pompa.

I turbolatori all’interno dei tubi sono efficaci nel ridurre la resistenza?

Qui nasce un paradosso. Sono installati turbolatori (inserti, spirali di filo).dentrotubi per intensificare il trasferimento di calore. Aumentano davvero il coefficiente di trasferimento del calore, consentendo di ridurre le dimensioni del dispositivo. Ma loroaumentareresistenza idraulica all'interno dei tubi, a volte 2-3 volte. Pertanto, se il tuo obiettivo è precisoridurreresistenza, i turbolatori non sono adatti a te. Vengono utilizzati quando è necessario aumentare la capacità di uno scambiatore di calore esistente e il sistema dispone di una riserva di pressione delle pompe. Per ridurre la resistenza complessiva del sistema è meglio agire sulla geometria dell'intercapedine e sulla forma dei setti, piuttosto che sulla superficie interna dei tubi.

Quale materiale dei tubi è migliore per ridurre al minimo la resistenza a lungo termine?

In termini di rugosità iniziale, il rame e l’ottone presentano un vantaggio rispetto all’acciaio. Tuttavia, in ambienti aggressivi si corrodono rapidamente e la loro rugosità aumenta. L'acciaio inossidabile (grado 12Х18Н10Т secondo GOST o AISI 321) è il compromesso ottimale: è abbastanza liscio e resistente alla corrosione. Ma la soluzione migliore per ridurre al minimo la resistenza a lungo termine sono i tubi con rivestimento interno in polimero o in titanio (per acqua di mare). Il titanio non è praticamente soggetto ad incrostazioni e corrosione, mantenendo una bassa resistenza per decenni, nonostante il suo costo iniziale sia 3-4 volte superiore a quello dell'acciaio. Ecco perché produttori leader come Wuxi Kaisheng LLC si affidano a scambiatori di calore a fascio tubiero in titanio e a prodotti in lega di nichel per le condizioni operative più severe, garantendo ai clienti un funzionamento stabile delle apparecchiature durante l'intero ciclo di vita.

Conclusione e strategia d'azione

La riduzione della resistenza in un fascio di tubi di scambio termico non è un evento isolato, ma un processo ingegneristico complesso che richiede l'analisi della geometria, dell'idraulica e della fisica dei processi. Come abbiamo scoperto, le potenzialità maggiori si nascondono nell'ottimizzazione delle partizioni (passaggio a quelle a spirale), nella scelta del giusto layout delle tubazioni (a scacchiera anziché a corridoio) e nel monitoraggio della pulizia delle superfici. Ignorare questi fattori porta a un consumo energetico eccessivo, all’usura prematura delle pompe e all’instabilità del processo.

Non cercare di risolvere il problema solo sostituendo le pompe con altre più potenti: questo è un vicolo cieco. Inizia verificando la configurazione attuale delle tue apparecchiature di scambio di calore. Confrontare i parametri reali con quelli di progetto, ispezionare le partizioni e valutare il grado di contaminazione. Anche piccole modifiche, come l'installazione di guarnizioni dei deflettori o la regolazione della spaziatura dei tubi alla successiva sostituzione di un fascio, possono avere un impatto economico significativo.

Se ti trovi di fronte a un problema di elevata resistenza e non sei sicuro di scegliere la soluzione ottimale, contatta uno specialista. Uno scambiatore di calore correttamente selezionato o un dispositivo esistente opportunamente modernizzato recupereranno i costi risparmiando energia e aumentando l'affidabilità della produzione. CompagniaWuxi Kaisheng energia elettrica e attrezzature petrolchimiche Co., Ltdè pronta ad offrirvi una gamma completa di servizi: dallo sviluppo di soluzioni individuali e modellazione CFD alla fornitura di apparecchiature certificate (ASME, PED), compresi scambiatori di calore ad alta pressione, raffreddatori d'aria e caldaie a recupero di calore realizzate in varie leghe.

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