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Il fouling negli scambiatori di calore a piastre

Lo sporcamento delle superfici un fenomeno non da sottovalutare

Gli scambiatori di calore a piastre (PHEs) sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni civili ed industriali grazie alle loro dimensioni compatte, all’elevata capacità di trasferimento del calore, ai bassi gradienti di temperatura e alla facile manutenzione. Questi vantaggi derivano dall’impiego di sottili piastre che formano una piccola intercapedine fra di loro: rispetto agli scambiatori a mantello, si hanno coefficienti di scambio termico molto elevati, con una conseguente diminuzione della superficie di scambio necessaria e quindi delle dimensioni molto più compatte.
Altri vantaggi nell’impiego dei PHEs sono:
  • un minor peso;
  • una pulizia più semplice;
  • minori spazi richiesti per l’installazione e la manutenzione;
  • minori costi di investimento;
  • minori Delta T approach;
  • minore sporcamento dovuto all’alto grado di turbolenza (effetto auto-pulente).
In questo articolo andremo ad approfondire quest’ultimo punto.
Negli scambiatori di calore il termine incrostazione (in inglese fouling) sta ad indicare tutti quei depositi di particelle che si possono accumulare sulle superfici a contatto con i fluidi di processo andando a compromettere la funzionalità dell’unità.
I depositi creano uno strato isolante sulla superficie di scambio termico dello scambiatore, andando così a ridurre il trasferimento del calore fra i fluidi e aumentando la caduta di pressione. Questo è dovuto al restringimento dell’area del flusso, che aumenta la sua velocità. Le prestazioni dello scambiatore e la sua efficienza diminuiscono, quindi, nel tempo, risultando sottodimensionato per l’applicazione.
Sovradimensionare lo scambiatore non è la soluzione al problema: l’aggiunta di superficie in eccesso può aumentare il tempo di funzionamento dell’unità, ma per contro può velocizzare il processo di deposizione con cui le incrostazioni si generano a causa della minore velocità del flusso nei canali fra le piastre.
Pertanto, i depositi devono essere rimossi mediante procedure di pulizia regolari e intensive al fine di mantenere l'efficienza del processo. Gli effetti delle incrostazioni sulle prestazioni termiche e idrauliche dello scambiatore di calore sono un costo aggiuntivo dei processi: perdite di energia, produttività, manodopera e spese di pulizia.
Differente è anche il modo con cui i fattori di sporcamento si applicano agli scambiatori di calore a piastre rispetto a quelli a fascio tubiero: nei PHEs vi è un elevato grado di turbolenza che aumenta il tasso di rimozione dei depositi rendendoli più difficilmente soggetti ad incrostazioni; inoltre, il profilo di velocità più uniforme lungo la piastra elimina le zone a bassa velocità che sono le più inclini allo sporcamento.
I tipo di fouling possono essere di diversa natura
Fouling da cristallizzazione (precipitazione e deposizione di sali). Esempio classico è quando si ha il riscaldamento dell’acqua a una temperatura superiore di 45 °C; a circa 55°C i carbonati cristallizzano andando a formare un film sulle superfici di scambio termico (per approfondire
https://www.termoleader.com/News/1016/il-problema-dell-incrostazione-calcarea-negli-scambiatori-di-calore-a-piastre.aspx ).
Fouling da particelle (sedimentazione di sabbia o terra su superfici).
Fouling da reazione (depositi causati da reazioni chimiche sulle superfici). Un esempio è nell’industria casearia quando al raggiungimento di una determinata temperatura le proteine del latte bruciano andando a formare una pellicola sulle superfici di scambio termico.
Fouling da corrosione (strati di ossido sulle superfici).
Lo sporcamento all’interno di uno scambiatore di calore a piastre può essere ridotto da i seguenti accorgimenti:
  • un’adeguata fase progettuale (per approfondire
http://repo.termoleader.com/Termoleader/Prodotti/Doc/26/270820180938_it_IT_Teoria_per_il_dimensionamento_degli_scambiatori_di_calore_a_piastre.pdf);
  • una corretta selezione del tipo di scambiatore da adottare;
  • accorgimenti per mitigare le condizioni chimiche/meccaniche dei fluidi (per esempio mediante l’adozione di dolcificatori o filtri);
  • rivestimenti nanocompositi per minimizzare l’adesione;
  • l’impiego di disegni della corrugazione delle piastre tecnologicamente avanzati
Termoleader impiega nei suoi scambiatori piastre dal design ottimizzato che consentono di processare efficacemente ogni tipo di prodotto, anche quelli a più alta viscosità, rendendole la scelta migliore anche nei trasferimenti termici più impegnativi.