Perché gli scambiatori di calore a tubi di rame sono ampiamente utilizzati
Gli scambiatori di calore in tubi di rame dominano la refrigerazione, il condizionamento dell'aria, il riscaldamento dell'acqua e il recupero di calore nell'industria leggera perché il tubo di rame offre quattro cose contemporaneamente: conduttività termica molto elevata, eccellente resistenza alla corrosione dell'acqua e dei refrigeranti, elevata duttilità alla flessione e all'espansione e una superficie liscia e non-porosa che resiste alle incrostazioni ed è facile da pulire.
Gli scambiatori con tubi in rame includono unità a fascio tubiero-e-con tubi in rame o leghe di rame, serpentine-e-tubi per condensatori ed evaporatori raffreddati ad aria-, scambiatori con tubi ventilati a doppia-parete per acqua potabile e le piccole unità brasate o assemblate meccanicamente utilizzate nelle apparecchiature monoblocco. In tutti questi progetti viene utilizzata la stessa famiglia di materiali, il che semplifica le procedure di stoccaggio e riparazione dei pezzi di ricambio.
Standard dei tubi e gradi tipici
| Grado | UNS | Utilizzo tipico negli scambiatori | Principali norme |
|---|---|---|---|
| Rame disossidato ad alto contenuto di fosforo | C12200 | Tubo lato acqua-, acqua potabile, tubi refrigeranti generici | ASTM B111/B111M, ASTM B88, GB/T 1527, EN 1057 |
| Rame elettrolitico tenace | C11000 | Tubo generale, sbarre e piastre; refrigerazione dove è richiesta un'elevata conduttività | ASTM B111/B111M, ASTM B152/B152M |
| Rame-privo di ossigeno | C10200 | Tubazioni per condizionamento e refrigerazione, vuoto ed assistenza elettronica | ASTM B280, EN 12735-1 |
| Ottone dell'Ammiragliato | C44300 | Tubo condensatore per acqua dolce e salmastra con buona resistenza agli urti | ASTM B111/B111M |
| Ottone alluminio | C68700 | Tubo condensatore e scambiatore per acqua di mare più pulita a velocità moderata | ASTM B111/B111M |
| Rame-nichel 90/10 | C70600 | Tubo scambiatore acqua di mare, salamoia e di bordo | ASTM B111/B111M, ASME SB111 |
| Rame-nichel 70/30 | C71500 | Tubo scambiatore per acqua di mare, offshore e desalinizzazione ad alta- velocità | ASTM B111/B111M, ASME SB111 |
Il tubo viene fornito in una gamma di stati: tubo ricotto per l'espansione a rulli nelle piastre tubiere e per la piegatura, e tubo trafilato duro o semicrudo dove il tubo deve essere autoportante-su lunghe campate. Il tubo per l'aria condizionata e la refrigerazione viene solitamente fornito in bobine morbide secondo ASTM B280 o EN 12735-1 con estremità tappate in modo che il foro rimanga pulito e asciutto durante il trasporto.
Prestazioni termiche e idrauliche
Poiché il rame conduce il calore molto più velocemente dell'acciaio o dell'acciaio inossidabile, uno scambiatore a tubi di rame necessita di una superficie inferiore per un determinato servizio e raggiunge lo stesso trasferimento di calore con una differenza di temperatura media inferiore tra i flussi. Questo è il motivo per cui il rame viene utilizzato dove la differenza di temperatura è piccola, come nei circuiti dell'acqua refrigerata e di refrigerazione, e perché le batterie in rame possono essere realizzate sufficientemente compatte per le unità da tetto e monoblocco.
Le prestazioni del lato-del tubo possono essere ulteriormente migliorate grazie al tubo migliorato internamente. Le superfici interne increspate e a spirale rompono lo strato limite e aumentano il coefficiente del lato del tubo-, che consente un fascio più corto o un diametro inferiore per lo stesso compito; il guadagno esatto dipende dalla geometria interna, dalla portata e dalle proprietà del fluido e dovrebbe essere ricavato dai dati di trasferimento termico del fornitore del tubo per il modello specifico anziché presupposto. Sul lato del guscio, la spaziatura e il gioco del deflettore controllano il coefficiente del lato del guscio-e anche il rischio di vibrazioni del tubo.
Corrosione, incrostazioni e limiti di velocità
Il tubo di rame mantiene prestazioni stabili nei circuiti dell'acqua, della condensa del vapore e del refrigerante e lo strato protettivo di ossido che forma rallenta ulteriori attacchi, prolungando la durata. Le modalità di fallimento contro le quali progettare sono ben note. L'ammoniaca e i composti di ammonio presenti nell'acqua o nei detergenti causano una rapida rottura da stress-corrosione del tubo di rame; la sabbia in sospensione e l'aria intrappolata causano attacchi d'urto, molto spesso all'ingresso del tubo e agli incroci dei deflettori; e l'acqua che scorre al di sopra della velocità consigliata accelera gli sprechi generali e localizzati. Il rame è inoltre soggetto a erosione-corrosione negli scarichi a gomito e a corrosione formica nei circuiti di refrigerazione dove alcuni acidi organici sono presenti insieme all'umidità.
Le contromisure pratiche consistono nel mantenere la velocità del flusso entro l'intervallo stabilito per la lega del tubo e la chimica dell'acqua, per evitare sacche d'aria e zone stagnanti, montare manicotti o ghiere protettive di ingresso dove l'acqua è sporca, mantenere il tubo pulito in modo che le incrostazioni non aumentino la velocità locale nella restante area del flusso ed evitare prodotti chimici detergenti a base di ammoniaca. È opportuno scegliere un tubo in rame-nichel anziché in rame puro nel caso in cui sia coinvolta acqua di mare, salamoia o acqua inquinata.
Fabbricazione: espansione, brasatura e saldatura
Il tubo di rame viene normalmente unito a una piastra tubiera mediante espansione a rulli, talvolta seguita da saldatura di tenuta in cui il giunto deve essere a tenuta durante il ciclo termico. L'espansione richiede un tubo ricotto con durezza e spessore di parete costanti, fori di dimensioni corrette con ingressi smussati e una coppia di espansione controllata in modo che il tubo non venga-arrotolato e assottigliato eccessivamente. La brasatura con riempitivo di rame-fosforo è il metodo standard per i giunti di refrigerazione da rame-a-rame perché non necessita di flusso; I giunti da rame-ad-acciaio o da rame-a-ottone richiedono il riempitivo e il fondente a base di argento-appropriati. Tutta la brasatura per refrigerazione deve essere eseguita con uno spurgo di azoto per evitare incrostazioni di ossido all'interno del tubo e il tubo deve essere asciutto e privo di olio prima del riscaldamento.
La piegatura, la svasatura e la svasatura vengono eseguite a freddo su tubo ricotto. Poiché il rame si indurisce, i raggi minimi di curvatura e i requisiti di ricottura dovrebbero essere ricavati dai dati del fornitore del tubo e le bobine finite dovrebbero essere testate a pressione e pulite prima dell'installazione.
Applicazioni
Refrigerazione e condizionamento dell'aria: batterie di condensatori ed evaporatori, botti di raffreddamento, pompe di calore e unità monoblocco.
Potenza e processo: condensatori, riscaldatori di acqua di alimentazione e raffreddatori di olio utilizzando tubi in lega di rame in acqua dolce o salmastra.
Riscaldamento dell'acqua e teleenergia: scambiatori di acqua calda sanitaria, collettori solari termici e unità di interfaccia termica.
Settore marittimo: scambiatori raffreddati ad acqua di mare-e circuiti di raffreddamento di bordo che utilizzano tubi in rame-nichel.
Industria leggera: postrefrigeratori ad aria compressa, raffreddatori di olio idraulico e apparecchiature per il trasferimento di calore nell'industria alimentare.
Domande frequenti
D: Perché gli scambiatori di calore con tubi di rame trasferiscono meglio il calore?
Il rame ha una conduttività termica di circa 386 W/(m·K), molto superiore all'acciaio al carbonio di circa 50 W/(m·K) e all'acciaio inossidabile di circa 16 W/(m·K). La parete del tubo quindi aggiunge pochissima resistenza termica e lo scambiatore necessita di meno area per lo stesso compito.
D: Gli scambiatori di calore con tubi di rame sono resistenti alla corrosione?
Nei circuiti dell'acqua, della condensa del vapore e dei frigoriferi sì: il rame forma una pellicola protettiva di ossido che limita ulteriori attacchi e conferisce una lunga durata. Le eccezioni sono gli ambienti ammoniacali, gli acidi fortemente ossidanti e l'acqua ad alta-velocità con aria o sabbia trascinata, dove il rame può cedere a causa di stress-corrosione o attacco di urto.
D: Perché il tubo di rame resiste alle incrostazioni?
Il tubo di rame ha una superficie liscia, non-porosa con buona bagnabilità, pertanto incrostazioni e biofilm aderiscono meno facilmente rispetto alle superfici metalliche più ruvide. Ciò mantiene stabile il coefficiente di trasferimento del calore e facilita la pulizia, motivo per cui le batterie in rame sono comuni nei servizi di raffreddamento e refrigerazione.
D: Cosa limita la velocità dell'acqua negli scambiatori con tubi di rame?
La velocità è limitata dal rischio di impatto ed erosione-corrosione, che dipende dalla lega del tubo, dalla composizione chimica dell'acqua, dai solidi sospesi e dalla quantità di aria intrappolata. L'intervallo accettabile dovrebbe provenire dalle linee guida di progettazione per la lega specifica del tubo e confermato rispetto ai dati del fornitore del tubo.
D: Gli scambiatori in tubi di rame possono essere riparati?
SÌ. Il tubo di rame può essere facilmente ri-espanso, ri{2}}brasato o sostituito e i singoli tubi possono essere tappati se il lavoro lo consente. Le riparazioni devono utilizzare la stessa lega e la stessa tempra dell'originale e il giunto deve essere testato nuovamente dopo la riparazione.
D: Quale tubo in lega di rame dovrebbe essere utilizzato per l'acqua di mare?
I gradi di rame-nichel sono la scelta standard: 90/10 (C70600) per acqua di mare pulita a velocità moderata e 70/30 (C71500) per velocità più elevate, pressione più elevata o acqua contenente sabbia-. L'ottone dell'Ammiragliato C44300 viene utilizzato per compiti salmastri meno gravosi.
