Scambiatori di calore
Guardian
TM
Resistenti
all’aggressione
chimica, agli shock termici, a
pressioni di 10 bar, ai colpi
d’ariete e con manutenzione
virtualmente nulla.
La soluzione definitiva
La sicurezza al primo posto
G.M.I.
Lo specialista del PTFE
Fondata nel 1981 da Mario
Guastallo GMI si è imposta
nel settore dei prodotti in
PTFE in virtù della felice
combinazione del marketing
mix dei propri prodotti: alta
competenza dei materiali e
delle lavorazioni, alta qualità
dei prodotti offerti e del servizio.
Sin dall’inizio venne posta
particolare attenzione sia
nella selezione dei materiali
vergini dalle prestazioni più
elevate sia nella lavorazione
dei pezzi.
GMI propone pezzi stampati
e lavorati in PTFE vergine e
caricato, oltre alla più ampia
gamma di materie plastiche
industriali mediante tornitura, fresatura su macchine
a controllo numerico oppure
su macchine tradizionali per
pezzi unici e speciali realizzati
con cura artigianale.
Come
l’azienda
anche
il
reparto R&S GMI ha visto
una costante crescita, dal
1993 sono stati introdotti
ad
esempio
il
Guaflon™
(P.T.F.E. speciale), il Seaflon™
(P.T.F.E. espanso), fino al recentissimo Kaflon™, un perfluoroelastomero di ultima
generazione.
2
30 anni di scambiatori
contoterzi
Negli ultimi 30 anni G.M.I. ha
agito da subfornitore per la
componentistica
primaria
(piastre, boccole, ecc.) di
tutti i maggiori costruttori
italiani ed esteri di scambiatori di calore.
Le migliori case produttrici di
scambiatori di calore resistenti l’aggressione chimica
hanno
scelto
il
miglior
produttore
di
lavorati
in
PTFE.
Gli sviluppi tecnologici G.M.I.
nella lavorazione di piastre in
PTFE ed i relativi sistemi di
tenuta hanno coinciso con
l’offerta
sul
mercato
di
scambiatori
di
calore
sempre più avanzati.
Nel 2001 G.M.I. ha portato
avanti un nuovo progetto di
ricerca, fortemente innovativo e con un importante dispendio di risorse. Data
l’importanza di tale ricerca e
la rivoluzionarietà dei risultati si è deciso di passare
alla commercializzazione del
prodotto
finito
abbandonando quindi la veste di
subfornitore.
3
Scambiatori di calore
lo status quo ante
L’elemento critico di uno scambiatore di calore è costituito
dal sistema di tenuta che
separa il fluido di processo dal
fluido riscaldante/raffreddante.
Trafilamenti da o verso il fluido
di processo possono compromettere la qualità del prodotto
e/o mettere a repentaglio la
salute degli operatori. Ciò è
particolarmente vero nel caso
di fluidi chimicamente aggressivi.
Per gestire processi di scambio termico con acidi o basi
sono stati spesso utilizzati
scambiatori con tubi in vetro
borosilicato. Questi apparecchi
presentano
però
l’indubbio
inconveniente della fragilità e
della bassa resistenza meccanica.
Meno fragili, ma altrettanto
non performanti sono gli scambiatori con tubi in PTFE.
Apparecchi più robusti sono gli
scambiatori in metallo smaltato. Possono infatti contare
sulla
resistenza
strutturale
dell’anima metallica accoppiata
a quella chimica del rivestimento vetroso. Gli smaltati
hanno fino ad oggi costituito
una soluzione per applicazioni
anche gravose, a patto che
fossero gestiti e mantenuti con
la delicatezza e la cura che la
fragilità del rivestimento richiede. Vanno infatti il più possibile
evitati i colpi d’ariete derivanti
dalla apertura di valvole a sfera
ed anche gli shock termici che
potrebbero
compromettere
l’integrità della smaltatura.
Gli scambiatori per applicazioni
chimiche che vantano la maggiore robustezza sono quelli
realizzati in leghe metalliche
speciali
quali
l’Hastelloy,
le
leghe al titanio ecc.
4
In grado di resistere ad
elevate temperature e pressioni, gli scambiatori metallici
presentano
vari inconvenienti:
• le saldature tubi-piastre
tubiere non sono radiografabili
al
100%;
eventuali
cricche
con
conseguenti
perdite di fluido potranno
quindi essere verificate solo
a posteriori;
• l’Hastelloy ed il Titanio
sono caratterizzati da coefficienti di scambio termico estremamente bassi, il che obbliga ad aumentare la superficie e non sono inerti a tutti
i prodotti chimici;
• il costo di scambiatori realizzati con queste leghe è
particolarmente elevato
Scambiatori
“UNGUARDED”.
Da diverso tempo si sono affermati come standard di
settore quelli che in G.M.I.
chiamiamo “scambiatori unguarded”, ovvero scambiatori con tubi in carburo di Silicio e piastre di separazione
in PTFE vergine caricato con
fibre di vetro.
Rispetto
alle
tecnologie
precedenti, gli “unguarded”
offrono
il
vantaggio
dell’elevatissimo coefficiente
di scambio termico del carburo, ma hanno il loro punto
debole nel sistema di tenuta
sull’accoppiamento
piastra
di separazione – tubi.
Il P.T.F.E. già a 100°C si detensiona,
provocando
un
rilassamento
strutturale
che inficia l’ermeticità nella
zona di collegamento dei tubi
alle piastre. Le perdite che si
riscontrano negli scambiatori unguarded sono infatti
dovute a trafilamenti di fluido
in prossimità delle piastre.
5
Tubi in SiC (Hexoloy™SA)
L’enorme efficienza di scambio termico degli scambiatori
GUARDIAN™ è assicurata
dell’utilizzo, come superficie
di trasferimento del calore,
di un materiale, il SiC, dalle
proprietà uniche: il SiC possiede infatti una conducibilità
termica doppia rispetto al
Titanio, 5 volte maggiore rispetto all’acciaio inossidabile,
10
volte
rispetto
all’Hastelloy, 100 volte rispetto al vetro e 400 volte rispetto al P.T.F.E.
Guardian™
Il servizio Ricerca&Sviluppo
G.M.I.
ha
lavorato
negli
ultimi tre anni alla messa a
punto di una nuova tecnologia per la realizzazione degli
scambiatori
di
calore,
i
GUARDIAN™ appunto, in cui
le piastre tubiere sono costituite da una piastra forata in
acciaio AISI 316L (1) rivestita da uno strato in P.T.F.E.
modificato (Dyneon® TFM) (2)
di idoneo spessore. Mentre
da un lato l’armatura in acciaio
garantisce
l’indeformabilità della piastra, il rivestimento assicura
l’inattaccabilità chimica. Si
ottiene così una piastra
composita dalle ineguagliate
caratteristiche di affidabilità
e durata.
6
1
2
Boccole filettate in Guaflon™
e guarnizioni in Kaflon™72B
La
contrapposizione
della
dilatazione termica fra il materiale costituente le piastre
tubiere e quello dei tubi, richiede
che
questi
ultimi
siano ancorati in modo tale
da consentire il loro scorrimento longitudinale senza
però
compromettere
la
tenuta.
Il sistema di ancoraggio dei
tubi
negli
scambiatori
GUARDIAN™
è
realizzato
tramite boccole filettate in
Guaflon™ che accoppiandosi
alla filettatura ricavata sullo
strato in P.T.F.E. della piastra, determinano il bloccaggio dei tubi. La tenuta è garantita da un o-ring elastomerico
resistente
all’aggressione chimica che ha il
difficile compito di consentire
lo scorrimento e contemporaneamente
mantenere
l’ermeticità del sistema.
L’o-ring deve pertanto possedere doti notevoli di elasticità, resistenza chimica e
alle alte temperature, per
cui la scelta ricade obbligatoriamente
su
una
guarnizione in perflouroelastomero.
Tra tutti i perflouroelastomeri disponibili sul mercato,
quello prodotto da G.M.I., il
Kaflon™72B, è caratterizzato dalle più elevate elasticità e morbidezza e dalla maggiore resistenza alle alte
temperature nonché prezzo
più competitivo.
7
Guardian™ 1.0
Lo scambiatore di calore
Guardian™ 1.0 è particolarmente indicato per applicazioni che prevedano temperature fino a 200 °C e 6
bar di pressione.
La speciale piastra in PTFE
amato conferisce al sistema
una resistenza strutturale
unica nel settore degli scambiatori a fascio tubiero con
tubi in carburo di silicio. La
tenuta tubi-piastra è garantita da un sistema formato
da o-ring in perfluoroelastomero Kaflon™72B e da boccole in Guaflon™.
G1.0
Qualora l'applicazione preveda pressioni superiori ai 6
bar (9/10bar e oltre) è disponibile lo scambiatore il
Guardian™ 1.0 HD - Heavy
Duty.
La versione HD beneficia di
una piastra metallica di supporto posto dal lato mantello della piastra in PTFE.
La innovativa tecnologia degli
scambiatori Guardian™ e lo
speciale sistema di tenuta
costituiscono
lo
stato
dell'arte nel campo di applicazioni su prodotti chimicamente aggressivi.
Qualora il particolare fluido di
processo fosse particolarmente pericoloso ed il suo
confinamento
assolutamente critico la G.M.I. ha
sviluppato
la
tecnologia
Guardian™ 2 che prevede
una ridondanza sul sistema
di tenuta con una camera di
sicurezza
che
permette
l'inserimento di sonde, spie e
allarmi indicativi di una eventuale perdita.
8
G1.0 HD
Guardian™ 2.0
G2.0
G2.0 MP
Gli scambiatori di classe
Guardian™ 2 contano su
doppio sistema di tenuta
montato su altrettante piastre di separazione, di cui
una lato processo in PTFE
armato e l'altra lato servizio
in acciaio. Tra le due piastre
una camera di sicurezza
può essere all'occorrenza
pressurizzata
oppure
lasciata a pressione atmosferica
ed
eventualmente
collegata ad un circuito per
la raccolta di eventuali perdite.
Tale accorgimento, oltre al
particolarissimo
sistema
doppio di tenuta, costituisce
una barriera insormontabile
a eventuali perdite di fluido di
processo o di servizio.
Il fatto che la seconda piastra di separazione sia in
metallo obbliga a conoscere
a priori se il fluido di processo sarà posto in circolazione dal lato tubi o dal lato
mantello. Qualora si desiderasse disporre della libertà
di porre in circolazione il
fluido di processo alternativamente dal lato tubi e dal
lato mantello, è disponibile la
versione Guardian™ 2MP
–
MutiPurpose che prevede
l'utilizzo del PTFE armato per
entrambe le piastre.
9
Guardian™ 3.0
Come gli scambiatori Guardian™ 2 anche i Guardian™ 3
presentano
più
punti
di
tenuta su ogni singolo tubo
con interposta camera di
sicurezza che può essere
pressurizzata o lasciata a
pressione atmosferica.
A differenza dei Guardian™ 2
i Guardian™ 3 hanno tre
tenute ai fluidi; due di queste
sono collocate sulla piastra
di separazione principale in
PTFE e armato, mentre la
terza è collocata sulle piastre di separazione ausiliarie
in acciaio inossidabile.
G3.0
Anche per i Guardian™ 3
sarà quindi necessario conoscere a priori se il fluido di
processo verrà posto in circolazione dal lato tubi o dal
lato mantello al fine di disporre la piastra in PTFE
armato di conseguenza.
È però disponibile una versione MutiPurpose con entrambe le piastre in PTFE e
armato, versione denominata Guardian™ 3MP. Tale
versione costituisce il massimo grado di versatilità e
sicurezza raggiungibile dagli
scambiatori di calore attualmente in commercio grazie
alla doppia ridondanza dei
sistemi di tenuta e grazie
alla
particolare
configurazione delle piastre in PTFE
armato.
10
G3.0 MP
G1.1
G2.1
G3.1
Su
richiesta
è
possibile
dotare
gli
scambiatori
Guardian™ di un giunto di
dilatazione che permette di
compensare
il
differente
grado di dilatazione termica
esistente tra il carburo di
silicio di cui sono realizzati i
tubi e l'acciaio del mantello
della scambiatore, fa sì che il
sistema di tenuta sia assolutamente
statico
e
non
soggetto
agli
scorrimenti
longitudinali tipici degli scambiatori sviluppati in lunghezza.
Tutti gli scambiatori di calore Guardian™ hanno in dotazione standard
uno speciale sistema di ingresso/uscita del fluido lato mantello, che
evita che eventuali sovrapresioni in fase di avviamento danneggino lo
scambiatore. Tale sistema "anti colpo d'ariete" smorza la pressione
idrodinamica del flusso del fluido stesso senza però incidere significativamente sulle perdite di carico.
Sempre su richiesta è possibile avere gli scambiatori Guardian™ in versione multipasso ( disp. sia lato tubi sia lato mantello). Tale configurazione si rivela particolarmente indicata quando il flusso del fluido di servizio o del fluido di processo è di scarsa entità. L'adozione di un
sistema multi passo consente, infatti, di avere, a parità di portata, velocità di flusso maggiori aumentando quindi il coefficiente di scambio
termico e riducendo eventuali depositi che inficerebbero la resa
dell'apparecchio.
.
11
SCAMBIATORI DI CALORE RESISTENTI
ALL’AGGRESSIONE CHIMICA
TECNOLOGIE A CONFRONTO
UNGUARDED
Tubi in SiC - piastre in PTFE
boccole in Guaflon™ - guarnizioni in FFKM
kaflon™72B
GUARDIAN™1
unguarded + piastre in PTFE armato
GUARDIAN™2
Guardian™1 + piastra ausiliaria inox
+ 2o punto di tenuta
GUARDIAN™3
Guardian™2 + terzo punto di tenuta
Scambiatori unguarded:
Sono
degli
scambiatori
di
calore con tubi in carburo di
silicio e piastre di separazione
in PTFE. Costituiscono una
tecnologia ormai affermata abbastanza facilmente reperibile
sul mercato. A causa del detensionamento
del
PTFE
quando questo viene riscaldato, vari costruttori hanno
percorso cammini più o meno
efficaci per limitare gli inconvenienti generati da tale detensionamento.
Scambiatori Guardian™ 1
Utilizzano piastre di separazione
in
PTFE
e
armato
(tecnologia
brevettata).
L'armatura metallica delle piastre
fornisce
la
resistenza
strutturale necessaria a garantire il perfetto e duraturo
funzionamento dello scambiatore.
Per raggiungere un livello di
performance analogo a quello
del Guardian™ 1 è necessario
ricorrere
a
scambiatori
di
calore smaltati.
Scambiatori Guardian™ 2
In più del Guardian™ 1 dispongono
di
una
camera
di
sicurezza pressurizzata.
Non si conoscono al momento
alternative commerciali.
Scambiatori Guardian™ 3
Oltre alla camera di sicurezza,
hanno una tripla posizione di
tenuta e quindi una doppia
ridondanza di tenuta.
Non si conoscono alternative in
grado di fornire lo stesso livello
di sicurezza sulla tenuta ai
fluidi.
12
TABELLE TECNICHE
Superficie
Nominale
(m2)
1
2
3
5
7
7
9
10
12
15
Area
Diametro
Effettiva Nominale
(m2)
(mm)
1.12
2.17
3.39
5.04
6.93
7.06
9.26
10.71
12.64
15.24
150
150
200
200
200
250
250
250
300
300
N° tubi
N° x Ø
(mm)
Lunghezza
tubi
(mm)
31 x Ø14
31 x Ø14
55 x Ø14
55 x Ø14
55 x Ø14
85 x Ø14
85 x Ø14
85 x Ø14
121 x Ø14
121 x Ø14
900
1700
1500
2200
3000
2000
2500
3000
2500
3000
Superfici di scambio fino a 40m2. Dimensione massima DN 450mm;
dimensionamenti e sezioni non standard realizzabili ad hoc.
13
TABELLE TECNICHE
Proprietà fisiche
(a 20°C)
Unità di misura
SiC
Composizione
SiC
Rugosità superficiale
4-10
µm
Densità
g/cm3
3.10
2
Durezza (Knoop)
kg/mm
2800
Resist. Flessione
(4 p.ti a 20°C) MPa
380
Resist. Flessione
(3 p.ti a 20°C) MPa
550
Resist. Compressione
(a 20°C) MPa
3900
Modulo Elastico
(a 20°C) GPa
410
Modulo Weibull
(2 parametri)
8
Coeff. Poisson
0.14
Resistenza a rottura
(a 20°C) MPa x m½
4.60
-6
Coeff. Dilat. Termica
x10 mm/mm°K
4.02
T° max di esercizio
°C
1650
Calore Specifico
J/g°K
0.67
0
Permeabilità ai gas (20°C÷1000°C; P>31MPa)
Resistività elettrica
Ohm/cm
102-1011
Emissività
0.9
Conducibilità Termica
(a 20°C) W/mK
125.6
Conducibilità Termica
(a 200°C) W/mK
125.6
Conducibilità Termica
(a 400°C) W/mK
125.6
Proprietà fisiche
(a 20°C)
Kaflon72B
Durezza Shore A
p.ti
Peso Specifico
g/cm3
Carico di Rottura
MPa
Allung. a Rottura
%
Compr. Set (22 ore a 204°C) %
Temp. Max di servizio
°C
Temp. min. di servizio
°C
Colore
Idoneità all’uso alimentare
Materiale approvato FDA/3A
72
2.175
13.0
350
15
321
-13
Bianco
Bianco
Sì
Compatibilità
Chimica
Kaflon72B
FFKM
commerciali
Norme
75
2.02
7.2
160
25
316
-20
Nero/Bianco
Solo bianco
solo bianco
D2240
D29
D412
D412
D395
D1329
Acidi
Nitrico 86°C, Solforico 95%, Acetico 118°C, idrofluorico 48%, ecc.
Idrossido di Potassio Idrossido di Sodio, Anilina, Ethylenediamina, ecc.
Esteri
Alcol
Eteri
Idrocarburi Aromatici
Olii minerali e sintetici
Ketoni
Solventi
Acetato di Butile 125°C, Acetato di Etile, Acetato di Metile, Acetato di Metossipropanolo (PMA)
Base forti (i.e. KOH)
e ammine organiche
14
Unità di misura
Isopropilico, Metanolo, Fenolo 100°C, ecc.
Tetrabydrofuran 20°C, MTBE
Benzene, Toluene, ASTM Fuel C/Metanolo, ETBE
Olii ASTM #3, Skydrol 500B
Metiletilketone (MEK, Dicloropropano), Acetone
Percloroetilene, Cloruro di Metilene, Solvente Nitro (incl. Xilene e alcool metilico),
Solventi Clorurati aggressivi, DMF 20°C, Tricloroetano, EK/Toluene