Scambiatori di Calore a Fascio Tubiero

Il riferimento per alte pressioni, alte temperature e fluidi aggressivi. Costruzione TEMA, certificati PED. Dalla condensazione industriale di vapore ai processi petrolchimici più severi.

Come funziona uno scambiatore a fascio tubiero

Lo scambiatore a fascio tubiero (shell & tube heat exchanger) è composto da un fascio di tubi paralleli racchiuso in un cilindro esterno chiamato mantello (shell). Un fluido scorre all'interno dei tubi, l'altro nel mantello intorno alle superfici esterne dei tubi. Il calore si trasferisce attraverso la parete dei tubi senza che i due fluidi si mescolino.

I setti deflettori (baffles) posizionati trasversalmente nel mantello forzano il fluido a scorrere perpendicolarmente ai tubi, aumentando la velocità, la turbolenza e quindi il coefficiente di scambio sul lato mantello. Il numero, la forma e la spaziatura dei deflettori influenzano sia le prestazioni termiche sia la perdita di carico.

La costruzione interamente metallica consente di coprire un campo di pressioni da alto vuoto a diverse centinaia di bar e temperature da −200°C a oltre 600°C, rendendo il fascio tubiero indispensabile in tutti i processi dove le condizioni operative superano i limiti delle tecnologie a piastre.

Scambiatore di calore a fascio tubiero — Roffia srl

Tipi costruttivi principali

  • Teste fisse (TEMA AEL/BEM) — costruzione più economica, tubi non estraibili; adatto per ΔT moderati
  • Testa flottante (TEMA AES/AEW) — fascio estraibile; pulizia meccanica dei tubi e rimozione per ispezione
  • Fascio a U (TEMA AEU) — dilatazioni termiche libere; no pulizia meccanica lato tubi
  • Testa fissa con compensatore — mantello con soffietto per assorbire le dilatazioni differenziali

Materiali

  • Acciaio al carbonio SA-179/SA-516 — vapore e acqua non corrosiva
  • AISI 304 / 316L — chimica, alimentare, inox
  • Duplex 2205 / SAF 2507 — cloruri, acqua di mare
  • Titanio Grade 2 — desalinizzazione, acidi ossidanti
  • Cr-Mo (T11, T22, P91) — vapore surriscaldato, alte T
  • Hastelloy C-276 / Inconel 625 — servizi corrosivi severi

Norme e certificazioni

  • TEMA R / C / B — costruzione tubolare internazionale
  • ASME Sez. VIII Div. 1 — pressione USA/internazionale
  • EN 13445 — recipienti in pressione europei
  • PED 2014/68/UE — marcatura CE obbligatoria
  • API 660 — shell & tube per industria petrolifera
  • NACE MR0175/ISO 15156 — H₂S, servizio sour

Principali applicazioni

Condensazione del vapore

I condensatori a fascio tubiero ricevono il vapore esausto sul lato mantello e lo condensano cedendo il calore latente all'acqua di raffreddamento nei tubi. Sono utilizzati nella cogenerazione, nelle centrali termoelettriche e negli impianti di processo dove il recupero della condensa è fondamentale per l'efficienza energetica. Il fluido di raffreddamento può essere acqua di torre, acqua di fiume o acqua di mare (con tubi in titanio o duplex). Vedi: efficienza energetica impianti.

Riscaldamento con olio diatermico

Nei processi che richiedono calore a temperature superiori a 200°C senza pressione elevata, l'olio diatermico è il fluido termovettore di riferimento. Gli scambiatori a fascio tubiero con acciaio al carbonio o inox sono il cuore di questi sistemi: l'olio (lato mantello) riscalda il fluido di processo (nei tubi) fino a 300–350°C a pressione atmosferica, evitando i rischi di un impianto vapore ad alta pressione.

Oil & Gas e petrolchimica

Negli impianti oil & gas e in raffineria il fascio tubiero — conforme TEMA R e API 660 — è l'unica tecnologia accettata per la maggior parte dei servizi: raffreddatori prodotto, riscaldatori idrocarburi, condensatori testa colonna, precondensatori e reboiler. I materiali devono essere qualificati per servizio sour (H₂S) secondo NACE MR0175, con documentazione MTR e test PMI (identificazione materiale positiva).

Industria chimica e farmaceutica

Nei processi del settore chimico e farmaceutico il fascio tubiero in inox o Hastelloy è necessario dove i fluidi sono aggressivi, ad alta viscosità o dove la pressione supera i limiti degli scambiatori a piastre. Applicazioni tipiche: condensatori di solventi, riscaldatori di reattori, refrigeratori di prodotto finale, scambiatori per acidi concentrati.

Dati di processo per il dimensionamento

Fluido lato tubi
Tipo, portata (kg/h o m³/h), T ingresso/uscita
Fluido lato mantello
Tipo, portata, T ingresso/uscita, eventuali cambi di fase
Pressioni operative
Massima ammissibile lato tubi e lato mantello
Perdite di carico
ΔP massima ammessa per ognuno dei due lati
Materiali richiesti
Vincoli per corrosione, normative di settore o specifiche cliente
Norme costruttive
TEMA R/C/B, ASME o EN 13445, API 660 se applicabile
Geometria
Spazio disponibile, orientamento (orizzontale/verticale)
Servizio
Riscaldamento, raffreddamento, condensazione, evaporazione

Domande frequenti

Qual è la differenza tra scambiatore a fascio tubiero e scambiatore a piastre?
Lo scambiatore a fascio tubiero (shell & tube) è costruzione robusta in cui un fascio di tubi è racchiuso in un mantello (shell) cilindrico. Un fluido scorre all'interno dei tubi, l'altro nel mantello intorno ai tubi. La costruzione metallica massiccia lo rende indicato per pressioni e temperature estreme (fino a centinaia di bar e oltre 500°C), per fluidi aggressivi, viscosi o con solidi in sospensione. Lo scambiatore a piastre è molto più compatto e ha coefficienti di scambio 3–5 volte superiori, ma è limitato a pressioni moderate (≤45 bar) e temperature fino a circa 200°C. Nella comparazione diretta: per utility industriali standard (acqua-acqua, vapore a media pressione) le piastre sono quasi sempre l'alternativa più efficiente ed economica; per processi petrolchimici, raffinerie e qualsiasi applicazione con condizioni estreme, il fascio tubiero rimane lo standard di riferimento.
Cosa significa TEMA e come si classificano i fascio tubiero?
TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association) è lo standard internazionale che definisce la costruzione, i materiali, la terminologia e le tolleranze degli scambiatori a fascio tubiero. La designazione TEMA usa tre lettere: la prima lettera indica il tipo di testa anteriore (A = a coperchio rimovibile; B = a berretto), la seconda il tipo di mantello (E = monopasso lato mantello; F = bipasso; G = flusso diviso), la terza il tipo di testa posteriore (L = testa fissa simile ad A; M = testa fissa simile a B; U = fascio a U; W = gianduia flottante). Le classi costruttive sono TEMA R (servizi petroliferi severi), TEMA C (usi commerciali e generali) e TEMA B (industria chimica). In Europa si applica anche la norma EN 13445 per la costruzione di pressione.
Quando si usa il fascio tubiero con tubi a U?
Il fascio a U è adatto quando i due fluidi hanno temperature molto diverse e le dilatazioni termiche differenziali sarebbero eccessive per un fascio a testi fissi. I tubi, ripiegati a U, possono espandersi e contrarsi liberamente senza vincoli assiali — eliminando le tensioni termiche sul mantello. È la soluzione preferita per: riscaldamento con vapore ad alta pressione (tipico il preriscaldatore d'acqua di alimento caldaia), servizi criogenici (il fascio può contrarsi di molti millimetri), e ogni applicazione con elevati cicli termici. Lo svantaggio è che i tubi in curva non sono meccanicamente pulibili (si usa la pulizia chimica CIP), per cui il fascio a U non è adatto a fluidi molto sporcanti sul lato tubi.
Quali materiali si usano per i tubi e il mantello?
La combinazione di materiali dipende dai fluidi, dalla temperatura e dalla pressione nei due circuiti. Acciaio al carbonio SA-179 / SA-192 — il più economico, per acqua e vapore senza agenti corrosivi, fino a circa 400°C. Acciaio inossidabile AISI 304 / 316L — resistenza alla corrosione, settore alimentare, chimico, temperatura fino a 600°C. Duplex / Super Duplex (2205, SAF 2507) — ambienti clorurati, acqua di mare, soluzioni di cloruri. Acciaio legato Cr-Mo (ASTM A213-T11, T22) — alte temperature (petrolio, gas, vapore surriscaldato). Titanio grade 2 — acqua di mare, acidi ossidanti, impianti di desalinizzazione. Hastelloy C-276 / Inconel 625 — ambienti altamente corrosivi, acidi riducenti concentrati e clorurati. Il corpo (mantello, piastre tubiere) è solitamente in acciaio al carbonio SA-516 o acciaio inox a seconda del servizio.
Come si mantiene e si pulisce un fascio tubiero?
Il tipo di pulizia dipende dalla configurazione e dalla natura dei depositi. I tubi dritti accessibili da entrambe le teste consentono la pulizia meccanica con scovolini, idrogetto ad alta pressione o spazzole, senza smontare il fascio. I tubi a U e le superfici del mantello si puliscono chimicamente per circolazione di solventi acidi o basici (CIP) adatti al tipo di deposito (tartaro calcareo → acido citrico o cloridrico diluito; depositi organici → soda caustica; olio → solventi idrocarburici). La manutenzione preventiva prevede ispezioni periodiche degli spessori dei tubi (eddy current test o ultrasuoni) per rilevare la corrosione prima della perdita di tenuta. Roffia può fornire tubi di ricambio e supportare gli interventi di retubaggio (sostituzione del fascio tubare mantenendo il mantello).
Il fascio tubiero può essere usato come condensatore o evaporatore?
Sì — il fascio tubiero è la tecnologia standard nei condensatori di vapore delle centrali termoelettriche e cogenerative, nei condensatori di processo della petrolchimica e nei reboiler (evaporatori parziali) delle colonne di distillazione. Come condensatore, il vapore entra nel mantello (lato shell), condensa sulle superfici dei tubi freddi, e la condensa cade verso il fondo. Come evaporatore (ribollitore a fascio), il fluido da vaporizzare circola nel mantello mentre il vapore riscaldante scorre nei tubi (o viceversa, secondo la configurazione). Il controllo del livello di liquido nel mantello è critico: un livello troppo alto ricopre i tubi riducendo la capacità di scambio; un livello troppo basso causa surriscaldamento delle zone scoperte. Il team tecnico Roffia assiste nel dimensionamento di questi servizi specialistici.

Dimensionamento scambiatori a fascio tubiero

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