Roboze ARGO 500: Risparmiare i costi operativi stampando in 3D scambiatori di calore a fascio tubiero in polipropilene

Uno scambiatore di calore è un sistema, composto da alcuni elementi, per trasferire il calore tra due o più fluidi. Gli scambiatori di calore sono utilizzati a livello globale in tantissime industrie tra cui Oil&Gas, petrolchimica, chimica o in centrali elettriche o raffinerie, per processi di riscaldamento o di raffreddamento.

Tra le diverse tipologie presenti sul mercato, gli scambiatori di calore a fascio tubiero permettono ai fluidi di assorbire o rilasciare calore tramite il contatto tra le superfici da cui sono separati. A seconda dei liquidi in gioco, essi presentano tubi metallici (generalmente in acciaio al carbonio o acciaio inossidabile) all’interno dei quali scorre un primo fluido, circondati da un involucro sigillato (detto mantello) al cui interno scorre il secondo fluido attraverso i diaframmi. Durante la fase di scambio termico, i fluidi possono muoversi nella stessa direzione o in direzioni opposte.

I metalli sono sempre stati considerati la soluzione più idonea per la produzione di questi dispositivi a causa della loro conducibilità termica elevata.  In particolari applicazioni però, quando sono presenti fluidi aggressivi, acidi o basi, il problema più frequentemente riscontrato è quello della corrosione dei tubi. È stato stimato che la corrosione degli scambiatori di calore genera costi fino a 855 milioni di dollari all'anno (Willem Faes et al.,2018). Queste perdite sono una combinazione di costi diretti e indiretti causati dalla corrosione e possono essere attribuite a diverse conseguenze economiche (Davis, 2000), come ad esempio:

• Sostituzione delle attrezzature corrose;
• Sovradimensionamento per tenere conto della possibile corrosione;
• Manutenzione preventiva;
• Arresto dell'impianto;
• Perdita di efficienza (ad esempio quando i prodotti della corrosione diminuiscono la velocità di trasferimento del calore dello scambiatore);
• Perdita di un prodotto (ad esempio attraverso perdite o contaminazione di un prodotto).

Inoltre, in seguito a recenti studi, è emerso che i polimeri, se particolarmente sottili, con spessori al di sotto di 1 mm, permettono uno scambio termico comparabile a quello dei metalli e inoltre, data l’eccellente resistenza chimica di alcuni di essi, come il Polipropilene (PP), non sono soggetti a corrosione (Xiangjie Chen et al., 2016). In quest’ottica quindi, si è potuto valutare il loro utilizzo nella produzione di queste apparecchiature per l’industria chimica. Nell’immagine successiva viene mostrato il confronto dell'efficienza degli scambiatori di calore in base allo spessore.

Gli scambiatori di calore che utilizzano tubi in metallo presentano molto frequentemente deposizione di particolato, chiamate incrostazione (fouling), fenomeno che invece non si verifica in quelli in Polipropilene. Confrontando il coefficiente di conducibilità termica, nel caso del PP risulta meno elevato di quello dei metalli, pari all’incirca a 0.11 W/(m*K), ma l’efficienza dello scambio termico aumenta al decrescere dello spessore delle pareti (come mostrato nel grafico). Il valore di questo coefficiente diventa di importanza secondaria quando i fluidi coinvolti sono altamente viscosi o corrosivi.

Gli scambiatori in PP generalmente possono essere sottoposti ad una temperatura tra i 20°C e gli 80°C e una pressione massima di esercizio di 8 bar che dipende dallo spessore delle pareti. Questo materiale permette di garantire ottime performance con un notevole risparmio economico in applicazioni in cui questi sistemi sono utilizzati per trasferire il calore tra fluidi corrosivi, soluzioni saline acquose o alcaline. Infatti, gli scambiatori di calore in PP vengono utilizzati per il raffreddamento di soluzioni di acido solforico in quanto rappresentano la soluzione più conveniente e allo stesso tempo performante, se confrontata all’alternativa metallica.

La stampa 3D rappresenta una soluzione vantaggiosa per la produzione di componenti poiché adoperando il PP è possibile ottenere una libertà di design senza precedenti, consentendo di massimizzare la superficie di scambio termico e rendendo di conseguenza lo scambiatore più efficiente.

Gli standard odierni utilizzati con i metodi tradizionali sono:

• API 660 / ISO 16812 (scambiatori di calore a fascio tubiero per l’uso generale in raffineria).
• ASME SECT.VIII Div.1 (UHX) o Div.2, PD 5500, EN 13445, AD 2000 Merkblatt.
• Shell DEP 31.22.20.31 e DEP 31.21.01.30
• TEMA - Associazione dei produttori di scambiatori tubolari.

Roboze insieme al comitato API 20T sta attualmente lavorando allo sviluppo di uno standard per la produzione di materiali polimerici tramite stampa 3D.

Avvalendosi di un sistema di stampa 3D Roboze come ARGO 500 è possibile realizzare componenti di grandi dimensioni come richiesto da questo genere di dispositivi, potendo disporre di un materiale alternativo come il PP in grado di fornire notevoli vantaggi rispetto all’utilizzo dei metalli, come leggerezza e personalizzazione senza limiti.

Per scoprire tutti i benefici legati all’utilizzo di ARGO 500 e i vantaggi connessi al metal replacement Roboze, contatta uno dei nostri consulenti scrivendo a info@roboze.com

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