La sfida del calcolo all'aperto
Uno scambiatore di calore in PTFE installato all'aperto presenta temperature ambientali che oscillano di 15-20 gradi tra il giorno e la notte e di 30-40 gradi tra l'estate e l'inverno. La perdita di calore dallo scambiatore e dalle tubazioni di interconnessione con l'ambiente varia proporzionalmente. Un progetto che tiene conto solo della temperatura media invernale potrebbe essere sottodimensionato durante un'ondata di freddo. Un progetto per temperature minime estreme spreca capacità durante il normale funzionamento.
Il calcolo della perdita di calore deve tenere conto sia della differenza di temperatura media che determina la perdita di calore, sia della perdita di picco che determina la capacità massima richiesta dello scambiatore. Deve inoltre affrontare il rischio di congelamento durante lo spegnimento, quando non viene immesso calore e lo scambiatore si raffredda fino alla temperatura ambiente.
A differenza degli scambiatori metallici, il PTFE ha un margine di sicurezza contro i danni da gelo. Il fluoropolimero flessibile consente l'espansione dell'acqua gelata senza fratturare-una proprietà che influenza la strategia di protezione dal gelo.
I componenti della perdita di calore
La perdita di calore da un'installazione di scambiatore di calore in PTFE esterno ha tre componenti. La perdita del corpo del serbatoio o dello scambiatore avviene dalle superfici esposte del serbatoio o dell'involucro dello scambiatore all'aria ambiente. Il tasso di perdita dipende dall'area superficiale, dalla differenza di temperatura tra il fluido di processo e l'aria ambiente e dal coefficiente complessivo di trasferimento del calore attraverso l'eventuale isolamento più il film d'aria esterno.
La perdita delle tubazioni di interconnessione si verifica dalle tubazioni sopra-terra tra lo scambiatore e il processo. Anche con l’isolamento, ogni metro di tubo contribuisce ad una perdita di calore misurabile. La perdita totale della tubazione dipende dalla lunghezza del tubo esposto e dalla differenza di temperatura.
La perdita dovuta al vento-aumenta il coefficiente di trasferimento del calore esterno. Un vento di 5 m/s può raddoppiare la perdita di calore rispetto all'aria ferma. I dati del vento per il sito di installazione dovrebbero essere inclusi nel calcolo della perdita di calore.
Tabella 1: Fattori di calcolo della perdita di calore in base alle condizioni ambientali (fluido di processo a 50 gradi, superficie esposta di 10 m², isolamento in lana minerale da 25 mm)
| Condizione ambientale | Differenza di temperatura (gradi) | Velocità del vento (m/s) | Coefficiente film esterno (W/m²·K) | Perdita di calore (kW) | Percentuale del servizio di progettazione (75 kW) |
|---|---|---|---|---|---|
| Pomeriggio estivo (35 gradi, fermo) | 15 | 0.5 | 5 | 1.2 | 1.6% |
| Notte d'estate (22 gradi, fermi) | 28 | 0.5 | 5 | 2.2 | 2.9% |
| Pomeriggio invernale (10 gradi, ventilato) | 40 | 3 | 12 | 4.8 | 6.4% |
| Notte invernale (-5 gradi, ventilata) | 55 | 3 | 12 | 6.6 | 8.8% |
| Ondata di freddo (-20 gradi, ventoso) | 70 | 8 | 22 | 12.3 | 16.4% |
| Minimo estremo (-30 gradi, ventoso) | 80 | 8 | 22 | 14.1 | 18.8% |
I valori di perdita di calore per la superficie del serbatoio non isolata sarebbero 4-6 volte più alti. L'isolamento è essenziale per le installazioni esterne.
L'ottimizzazione dell'isolamento
I calcoli della perdita di calore guidano la selezione dello spessore dell'isolamento. L'ottimale economico bilancia il costo di un isolamento più spesso con il valore dell'energia risparmiata nel corso della vita dell'apparecchiatura. Per le installazioni esterne in climi freddi, il calcolo spesso comporta spessori di isolamento di 50-75 mm.
L'isolamento deve essere resistente alle intemperie. L'isolamento esterno esposto a pioggia, neve e raggi UV si degrada rapidamente senza un rivestimento protettivo. Il rivestimento in alluminio o acciaio inossidabile protegge l'isolamento e fornisce una superficie durevole e lavabile. Tutti i giunti devono essere sigillati per impedire l'ingresso di acqua, che distrugge l'efficacia dell'isolamento.
Gli scambiatori in PTFE rappresentano una sfida specifica per l'isolamento in corrispondenza delle connessioni flangiate e dei punti di accesso al collettore. Il sistema di isolamento deve consentire l'accesso periodico per ispezione e manutenzione senza essere danneggiato durante la rimozione e la sostituzione. Le coperte isolanti rimovibili in questi punti forniscono l'accesso necessario.
Strategia di protezione dal congelamento
Quando uno scambiatore di calore esterno in PTFE si spegne in inverno, il fluido di processo intrappolato all'interno dei tubi può congelare. L'acqua si espande di circa il 9% durante il congelamento, generando una pressione che può dividere tubi e recipienti rigidi.
I tubi in PTFE assecondano l'espansione del ghiaccio senza rompersi. L'allungamento a rottura del materiale supera il 200% e la sua flessibilità alle basse temperature-Il PTFE rimane duttile fino a -200 gradi: consente al tubo di espandersi con l'acqua gelata. Tuttavia, i collettori metallici, le flange e le tubazioni di interconnessione collegate allo scambiatore in PTFE non condividono questa tolleranza al gelo.
La strategia di protezione antigelo si concentra quindi sui componenti metallici. Il tracciamento elettrico di tubazioni, collettori e valvole metalliche esposte previene il congelamento durante l'arresto. I tubi in PTFE non richiedono protezione antigelo, anche se il fluido all'interno dei tubi deve essere drenato o lasciato circolare lentamente se le condizioni di congelamento persistono.
Riepilogo
Le oscillazioni della temperatura ambiente influiscono sulle installazioni esterne di scambiatori di calore in PTFE attraverso una perdita di calore variabile che deve essere compensata dal dimensionamento dello scambiatore. Lo spessore dell'isolamento è ottimizzato per il clima locale, con un rivestimento resistente alle intemperie essenziale per la durabilità. Gli effetti del vento sulla perdita di calore sono significativi e dovrebbero essere inclusi nei calcoli.
I tubi in PTFE tollerano l'espansione dovuta al gelo senza danni, fornendo una protezione intrinseca contro le conseguenze più gravi delle chiusure invernali. Gli sforzi di protezione antigelo si concentrano sui componenti metallici del sistema collegati allo scambiatore in PTFE.
I consigli tecnici per l'isolamento dello scambiatore di calore in PTFE esterno e la progettazione della protezione antigelo sono disponibili previa presentazione dei dati meteorologici del sito, delle proprietà del fluido di processo, dei profili della temperatura di funzionamento e di arresto e del layout delle tubazioni.
