Scambiatore a fascio tubiero e mantello

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Geometria di uno scambiatore a fascio tubiero e mantello. A,B: bocchelli lato mantello; C,D: bocchelli lato tubi; E: diaframmi.

Lo scambiatore a fascio tubiero e mantello (in inglese tube & shell heat exchanger) è uno scambiatore di calore a superficie, costituito principalmente da un fascio di tubi collocato all'interno di un recipiente di forma più o meno cilindrica (chiamato mantello). Tale dispositivo è attraversato da due correnti: una corrente passa all'interno dei tubi e una corrente passa nello spazio delimitato tra la superficie interna del mantello e le superfici esterne dei tubi.

Rispetto agli scambiatori di calore è di gran lunga il modello più utilizzato,[1] e permette lo scambio di grandi quantità di calore, avendo superfici di scambio che possono arrivare a decine di migliaia di metri quadrati.

Geometria dello scambiatore a fascio tubiero e mantello[modifica | modifica sorgente]

Accoppiamento tra tubo e piastra tramite mandrinatura (in alto) e tramite saldatura (in basso).

In uno scambiatore a fascio tubiero e mantello si distinguono le seguenti parti:

  • le testate di estremità (testata posteriore e testata anteriore), che delimitano il volume costituito dalla parte interna dei tubi e che è detto lato tubi;
  • i tubi stessi che sono fissati ad una lamiera forata di forte spessore detta piastra tubiera; l'accoppiamento tra tubi e fascia tubiera può avvenire tramite mandrinatura,[2] tramite saldatura (in cui il foro che alloggia il tubo viene svasato nel lato esterno e quindi il tubo viene saldato alla piastra), oppure tramite filettatura;
  • l'involucro esterno (o mantello), che delimita il volume esterno ai tubi, detto lato mantello.

L'operazione di mandrinatura consiste nel forzare il tubo alla piastra tubiera con attrezzature apposite; la piastra tubiera è dapprima forata ad un diametro leggermente superiore a quello esterno del tubo, quindi vengono ricavate all'interno del foro 2-3 gole con diametro superiore di qualche decimo di millimetro, ed infine il tubo viene espanso con unmandrino, che deforma l'imboccatura del tubo, serrandola alla piastra.

Al mantello fanno capo due bocchelli flangiati, riservati al fluido di servizio (ovvero il fluido raffreddante/riscaldante utilizzato come vettore dello scambio termico, generalmente acqua) e alle testate due riservati al fluido di processo (ovvero il fluido che bisogna raffreddare/riscaldare, che compete direttamente al processo industriale).

Esternamente al mantello è rappresentato un distributore, usato solo in caso di fluidi gassosi lato mantello. Nel mantello possono essere presenti (non raffigurati) dei piatti di lamiera trasversali detti diaframmi (in inglese baffle) che hanno lo scopo di controllare il regime idraulico nel mantello stesso, aumentando le turbolenze e di conseguenza il coefficiente di scambio termico.[3]

All'aumentare del numero di diaframmi il percorso del fluido lato mantello diventa più tortuoso; all'interno di tale percorso è possibile individuare dei tratti in cui il fluido lato mantello si muove in maniera parallela ai tubi; tali tratti vengono detti "passaggi lato mantello". Analogamente i "passaggi lato tubi" corrispondono ai tratti in cui il fluido lato tubi si muove in maniera parallela al mantello.
Si possono presentare dunque diversi casi a seconda del numero di passaggi lato mantello e lato tubi; ad esempio si possono avere le seguenti tipologie (dove il primo numero indica i passaggi lato tubi e il secondo numero indica i passaggi lato mantello):

  • a singolo passaggio o a 1 passaggio (1-1): un passaggio lato tubi e un passaggio lato mantello; i fluidi entrano, attraversano lo scambiatore secondo direzioni tra loro parallele (in equicorrente o in controcorrente) ed escono;
  • a 2 passaggi lato tubi (2-1); in questo caso il setto verticale nella testata superiore obbliga il fluido lato tubi a scendere nei tubi per poi risalire;
  • a 2 passaggi lato tubi e 2 passaggi lato mantello (2-2).

Sebbene in teoria non esista un limite massimo al numero di passaggi, è raro trovare scambiatori con numero di passaggi lato tubi superiore a 16, e lato mantello superiore a 4.

Norme TEMA[modifica | modifica sorgente]

Gli scambiatori a fascio tubiero, essendo i più utilizzati, sono anche quelli meglio definiti dal punto di vista di unificazione e di normativa. In genere la progettazione degli scambiatori a fascio tubiero avviene in accordo con le indicazioni dell'associazione statunitense TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers' Association), che cura la pubblicazione di norme relative alla classificazione, dimensionamento e costruzione degli scambiatori.[4][5][6]

Scambiatori a chioma[modifica | modifica sorgente]

Scambiatore a fascio tubiero e mantello del modello "a chioma".

I tubi dello scambiatore non devono necessariamente essere rettilinei (si è già parlato dei serpentini, che però sono dei fasci tubieri impropri), è anzi pratica comune l'uso di tubi curvati ad U (tipo TEMA U), a raggi variabili, uniti mediante la piastra tubiera a formare delle chiome di tubi. Questi particolari modelli di scambiatore fascio tubiero e mantello sono denominati "a chioma", e presentano una sola testa.[7]

Il vantaggio risiede nella estraibilità del fascio tubiero, che può essere facilmente separato dal mantello per ispezione e pulizia, al costo di una minore stabilità meccanica del fascio che, essendo supportato a sbalzo, è sottoposto a maggiori sollecitazioni, anche di carattere dinamico per le vibrazioni. Sono sconsigliati per fluidi corrosivi o sporcanti, in quanto in corrispondenza del ripiegamento ad U si può avere erosione localizzata dei tubi e la formazione di incrostazioni (o fouling).

Gli scambiatori a chioma vengono anche impiegati come elemento riscaldante all'interno di apparecchiature più grandi, ad esempio nei ribollitori tipo kettle.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ Coulson & Richardson's, op. cit., p. 634
  2. ^ Coulson & Richardson's, op. cit., p. 652-653
  3. ^ Felli, op. cit., p. 148
  4. ^ (EN) Sito ufficiale Tubular Exchanger Manufacturers' Association, Inc.
  5. ^ Perry, op. cit., p. 11.33
  6. ^ McCabe, op. cit., p. 431
  7. ^ Felli, op. cit., p. 149

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

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