Il problema dell'installazione remota
I vincoli di spazio a volte costringono l'installazione dello scambiatore di calore in PTFE lontano dal serbatoio di processo. Lo scambiatore è posizionato su un soppalco, in un locale adiacente o all'esterno dell'edificio. Le tubazioni di interconnessione trasportano il fluido di processo riscaldato dallo scambiatore al serbatoio e restituiscono il fluido raffreddato per il riscaldamento.
Ogni metro di tubo di collegamento cede calore all'ambiente circostante. La soluzione riscaldata che esce dallo scambiatore in PTFE a 65 gradi può arrivare al serbatoio a 58 gradi. Il calo di temperatura rappresenta la capacità di riscaldamento persa. Lo scambiatore deve lavorare di più per compensare, aumentando il consumo di vapore e potenzialmente superando i limiti di progettazione.
La domanda per il progettista è: quanta capacità viene persa e a quale lunghezza del tubo l'installazione remota diventa antieconomica?
Il meccanismo di perdita di calore
La perdita di calore derivante dalle tubazioni di interconnessione segue la legge del raffreddamento di Newton. Il tasso di perdita di calore dipende dalla differenza di temperatura tra il fluido e l'aria ambiente, dalla superficie del tubo e dal coefficiente complessivo di trasferimento del calore dal fluido all'ambiente.
Le tubazioni metalliche non isolate perdono rapidamente calore. Una soluzione che trasporta un tubo da 50 mm di diametro a 65 gradi attraverso una temperatura ambiente di 20 gradi perde circa 150-250 W per metro lineare. Su una corsa di 20 metri la perdita è di 3-5 kW. Per un sistema di riscaldamento da 30 kW, ciò rappresenta una riduzione della capacità del 10-17%.
Le tubazioni isolate riducono significativamente le perdite. Un isolamento in lana minerale o schiuma adeguatamente specificato con uno spessore di 25-50 mm riduce la perdita di calore a 20-40 W per metro. La stessa corsa di 20 metri perde solo 0,4-0,8 kW, ovvero un 1-3% gestibile della capacità del sistema.
Tabella 1: Perdita di calore dalle tubazioni di interconnessione (tubo da 50 mm, fluido a 65 gradi, temperatura ambiente a 20 gradi)
| Condizione di isolamento | Perdita di calore per metro (W/m) | Perdita di funzionamento a 10 m (kW) | Perdita di funzionamento a 20 m (kW) | Perdita di capacità effettiva (sistema da 30 kW) |
|---|---|---|---|---|
| Tubo in acciaio non isolato | 200 | 2.0 | 4.0 | 13% |
| Tubo in PTFE non isolato | 160 | 1.6 | 3.2 | 11% |
| Isolamento in lana minerale da 25 mm | 35 | 0.35 | 0.7 | 2.3% |
| Isolamento in lana minerale da 50 mm | 18 | 0.18 | 0.36 | 1.2% |
| Tubo pre-riempito di schiuma- | 12 | 0.12 | 0.24 | 0.8% |
I valori di perdita di calore sono approssimativi per tubi orizzontali in aria calma. Le perdite effettive dipendono dalla velocità del vento, dai supporti dei tubi e dall'integrità dell'isolamento.
Considerazioni sulle tubazioni in PTFE
Le tubazioni di interconnessione in PTFE hanno una conduttività termica inferiore rispetto al metallo, fornendo un isolamento intrinseco modesto. La perdita di calore da un tubo in PTFE non isolato è inferiore di circa il 20% rispetto a un tubo equivalente in acciaio. Questo piccolo vantaggio non elimina la necessità di isolamento su percorsi più lunghi.
Le tubazioni in PTFE hanno un elevato coefficiente di dilatazione termica. I lunghi tratti rettilinei richiedono anelli di espansione o soffietti per evitare sollecitazioni eccessive nei punti fissi. Gli alloggi di dilatazione dovranno essere integrati con il sistema di isolamento per evitare di creare tratti non isolati in corrispondenza dei giunti di dilatazione.
La distanza tra i supporti per i tubi in PTFE è più ridotta rispetto a quella per l'acciaio a causa della minore rigidità. I supporti creano ponti termici attraverso l'isolamento. Ogni supporto dovrebbe includere un cuscinetto isolante tra il tubo e il morsetto di supporto per ridurre al minimo la perdita di calore localizzata.
Linee guida di progettazione per installazioni remote
Ridurre innanzitutto al minimo la lunghezza del tubo. Posizionare lo scambiatore di calore in PTFE il più vicino possibile al serbatoio quanto consentito dai vincoli fisici. Ogni metro risparmiato riduce la perdita di calore e i costi di capitale per tubazioni e isolamento.
Isolare accuratamente. Tutte le tubazioni di interconnessione calde, compresi raccordi, flange e valvole, devono essere isolate. I cuscinetti isolanti rimovibili consentono l'accesso alla flangia e alla valvola senza perdita di calore permanente.
Dimensionare lo scambiatore con le dispersioni termiche calcolate comprese nell'imposta di progetto. Un carico di processo di 30 kW con una perdita di tubazione di 2 kW richiede uno scambiatore da 32 kW, non da 30 kW. Il costo incrementale è ridotto rispetto al rilevamento delle prestazioni inferiori dopo l'installazione.
Considerare la portata del ricircolo pompato. Portate più elevate aumentano leggermente la perdita di calore per metro ma riducono la caduta di temperatura per passaggio. L'effetto netto sulla temperatura erogata dipende dalla configurazione specifica delle tubazioni.
Riepilogo
Le installazioni remote di scambiatori di calore in PTFE perdono capacità di riscaldamento a causa della perdita di calore delle tubazioni di interconnessione. Le tubazioni non isolate su percorsi superiori a 10 metri possono perdere oltre il 10% della capacità del sistema. Un adeguato isolamento riduce le perdite all'1-3%.
Le linee guida di progettazione danno priorità alla minimizzazione della lunghezza dei tubi, all'isolamento di tutte le superfici calde e all'inclusione delle perdite calcolate nel dimensionamento dello scambiatore. La minore conduttività termica delle tubazioni in PTFE fornisce un piccolo vantaggio intrinseco ma non sostituisce l'isolamento.
L'analisi ingegneristica per la progettazione dell'installazione remota dello scambiatore di calore in PTFE è disponibile previa presentazione della disposizione delle tubazioni, del materiale e del diametro dei tubi, della temperatura del fluido, delle condizioni ambientali e delle specifiche di isolamento disponibili.
