Gli scambiatori di calore sono componenti essenziali in numerosi settori industriali, tra cui l’oil & gas, il petrolchimico e l’energetico. Si tratta di apparecchiature facenti parte di un impianto dove avviene lo scambio di energia termica tra fluidi a temperature diverse.
La scelta dei tubi adatti per la costruzione di scambiatori di calore è fondamentale, in quanto devono rispondere a standard rigorosi per garantire prestazioni elevate, conducibilità termica, durata nel tempo e conformità agli standard di sicurezza.
Il tubo è infatti la superficie attraverso cui il calore passa da un fluido all’altro. È anche il componente più sollecitato dell’intero scambiatore, perché è esposto a entrambi i fluidi, agli sbalzi termici, alla pressione di esercizio e spesso ad agenti corrosivi. Un tubo non adeguato può causare perdite, contaminazione tra i due circuiti, cali di rendimento e fermi impianto non programmati. I costi di questi problemi superano di molto quelli della fornitura iniziale.
Tipologie di scambiatori di calore
Gli scambiatori di calore trovano applicazione in diversi contesti industriali e, in base all’uso che deve esserne fatto, ne esistono diverse tipologie:
- A fascio tubiero, costituiti da un fascio di tubi racchiusi in un involucro di forma cilindrica.
- A doppio tubo, caratterizzati da due tubi cilindrici e generalmente usati in impianti di piccole dimensioni.
- A spirale, costituiti da tubi arrotolati a spirale in modo che i fluidi scorrano lungo due direzioni diverse.
- A piastre, costruiti con piastre sottili e caratterizzati da un’elevata efficienza termica.
Caratteristiche richieste ai tubi
Rispetto a una normale tubazione di linea, un tubo per scambiatore di calore deve rispondere a requisiti più specifici. Deve garantire uno scambio termico efficiente e mantenere nel tempo integrità e tenuta, spesso in condizioni operative gravose. Gli aspetti costruttivi da valutare sono i seguenti:
- Tubi senza saldatura o saldati: i tubi senza saldatura non hanno cordoni di saldatura lungo il tubo, quindi sono indicati per pressioni e temperature elevate e per i servizi più critici. I tubi saldati, prodotti e trattati secondo le norme specifiche per scambiatori, offrono spessori uniformi e un’ottima precisione dimensionale a costi più contenuti. Per questo sono ampiamente impiegati in molte applicazioni.
- Tolleranze dimensionali: diametro esterno e spessore devono rispettare tolleranze strette. I tubi vengono infatti inseriti nei fori delle piastre tubiere e fissati per mandrinatura o saldatura, e anche scostamenti minimi possono compromettere la tenuta del giunto.
- Spessore di parete: uno spessore ridotto favorisce lo scambio termico. Il tubo deve però resistere alla pressione di esercizio e garantire un margine adeguato contro corrosione ed erosione, quindi la scelta è sempre un equilibrio tra efficienza e sicurezza.
- Finitura superficiale: una superficie interna liscia limita la formazione di depositi e incrostazioni, che riducono il rendimento dello scambiatore, e facilita le operazioni di pulizia. Nei settori alimentare e farmaceutico la rugosità superficiale è spesso un requisito di progetto.
- Trattamento termico: nei tubi in acciaio inossidabile, il trattamento di solubilizzazione ripristina la struttura del materiale dopo le lavorazioni e ne preserva la resistenza alla corrosione.
- Controlli e certificazioni: alcune verifiche garantiscono la tracciabilità di ogni tubo e la sua conformità alle specifiche richieste. Tra queste ci sono le prove idrauliche, i controlli non distruttivi come le correnti indotte o gli ultrasuoni e i certificati di collaudo secondo EN 10204 3.1.
Ambiti di applicazione
Gli scambiatori di calore sono presenti in molti settori.
Ciascuno pone al tubo esigenze specifiche, legate al fluido trattato e alle condizioni di esercizio. I principali ambiti di applicazione sono:
- Impianti chimici, petrolchimici e petroliferi: fluidi aggressivi, acidi e temperature elevate richiedono materiali ad alta resistenza alla corrosione, come AISI 316L, Duplex e leghe di nichel.
- Raffinerie: composti solforati, cloruri e condizioni severe di temperatura e pressione orientano la scelta verso leghe di nichel, Duplex e Superduplex. Per i servizi meno aggressivi si impiega anche l’acciaio al carbonio.
- Ambito marino: l’acqua di mare è ricca di cloruri e soggetta a biofouling. Negli scambiatori raffreddati ad acqua di mare si utilizzano soprattutto il cupronichel 90/10 e 70/30 e il Superduplex.
- Industria alimentare: l’igiene e la facilità di pulizia, anche con sistemi di lavaggio CIP, rendono gli acciai inossidabili AISI 304L e 316L la scelta più diffusa.
- Industria farmaceutica e biotecnologica: la purezza dei fluidi, i cicli di sterilizzazione e le finiture superficiali controllate orientano la scelta verso l’AISI 316L.
- Trattamento acque: il contenuto di cloruri varia molto, fino alle acque salmastre e agli impianti di dissalazione, e richiede materiali come Duplex, Superduplex e cupronichel.
- Sistemi HVAC: nella refrigerazione e nel condizionamento prevale il rame, per la sua elevata conducibilità termica e la facilità di lavorazione.
Materiali
Per la realizzazione degli scambiatori possono essere impiegati molteplici materiali, ciascuno con caratteristiche specifiche.
Acciai inossidabili austenitici
Tra i materiali più comuni ci sono gli acciai inossidabili AISI 304L e 316L, apprezzati per la facilità di pulizia e la resistenza alla corrosione. Il 304L è adatto a fluidi poco aggressivi e ad applicazioni in cui l’igiene è prioritaria. Il 316L contiene molibdeno e offre quindi una resistenza superiore negli ambienti con cloruri. Il basso tenore di carbonio di entrambi garantisce saldature affidabili senza perdita di resistenza alla corrosione. Per condizioni ancora più impegnative si può ricorrere all’AISI 317L, che ha un contenuto di molibdeno più elevato.
Duplex e Superduplex
Gli acciai Duplex e Superduplex hanno una struttura austeno-ferritica. Uniscono un’elevata resistenza meccanica a un’ottima resistenza alla corrosione sotto tensione e alla corrosione per vaiolatura causata dai cloruri. La maggiore resistenza meccanica consente di progettare tubi con spessori ridotti, a vantaggio dello scambio termico. Sono impiegati in ambito offshore, negli impianti di dissalazione e nel settore petrolchimico.
Nichel e leghe di nichel
Il nichel e le leghe di nichel sono indicati per le condizioni più severe: alte pressioni, alte temperature e ambienti fortemente corrosivi.
- Inconel 625: resiste all’acqua di mare, ai cloruri e alla corrosione sotto tensione anche ad alta temperatura.
- Incoloy 825: è indicato in presenza di acidi forti come il solforico e il fosforico.
- Hastelloy: si distingue negli ambienti chimici particolarmente aggressivi.
- Monel: offre un buon comportamento in acqua di mare e in presenza di acido fluoridrico.
Rame e leghe di rame
Il rame e le leghe di rame sono usati soprattutto nella refrigerazione e nel condizionamento, perché sono ottimi conduttori termici.
Tra le leghe, il cupronichel nelle tipologie 90/10 e 70/30 è una soluzione consolidata per condensatori e scambiatori a contatto con l’acqua di mare, grazie alla resistenza alla corrosione marina e al biofouling. Il 70/30 è preferito dove sono previste velocità del fluido più elevate.
Altri materiali
In alcuni casi viene impiegato anche il titanio, che per la sua altissima resistenza alla corrosione è adatto ad ambienti altamente corrosivi. L’acciaio al carbonio è una soluzione economica per i servizi con fluidi poco aggressivi. Infine, l’alluminio si caratterizza per leggerezza e buona conducibilità termica.
Confronto tra i principali materiali
| Materiale | Resistenza alla corrosione | Conducibilità termica | Temperature elevate | Applicazioni tipiche |
|---|---|---|---|---|
| AISI 304L | Buona | Contenuta | Buona | Alimentare, farmaceutico, fluidi poco aggressivi |
| AISI 316L | Elevata, anche con cloruri | Contenuta | Buona | Chimico, alimentare, farmaceutico |
| Duplex e Superduplex | Molto elevata, anche con cloruri | Contenuta | Limitata | Offshore, dissalazione, petrolchimico |
| Leghe di nichel | Eccellente | Contenuta | Eccellente | Chimico, raffinazione, oil & gas |
| Rame | Buona in acqua dolce | Molto elevata | Limitata | HVAC, refrigerazione |
| Cupronichel 90/10 e 70/30 | Elevata in acqua di mare | Media | Media | Navale, offshore, condensatori |
Come scegliere il materiale giusto
All’interno di questa gamma variegata, la scelta del materiale più adatto varia in funzione di alcuni parametri, che devono essere presi in considerazione per garantire efficienza e lunga durata allo scambiatore stesso. Tra i più importanti:
- Temperatura e pressione di esercizio: determinano la resistenza meccanica e lo spessore del tubo. Possono anche escludere materiali che perdono prestazioni ad alta temperatura.
- Tipologia del fluido: composizione chimica, solidi in sospensione e velocità di flusso influenzano corrosione, erosione e formazione di depositi.
- Livello di corrosione dell’ambiente: cloruri, acidi e ambienti marini richiedono materiali specifici, dall’AISI 316L fino alle leghe di nichel.
- Conducibilità termica richiesta: incide sull’efficienza dello scambio e sulle dimensioni dello scambiatore.
- Manutenzione e pulizia: la frequenza degli interventi e i metodi di pulizia previsti orientano verso materiali e finiture adeguati.
- Costo sul ciclo di vita: un materiale più performante può richiedere un investimento iniziale maggiore, ma riduce nel tempo sostituzioni, fermi impianto e costi di manutenzione.
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