Integrazione degli scambiatori di calore a piastre nei sistemi di raffreddamento dei motori

I sistemi di raffreddamento per motori marini sono il cuore e l'anima dei sistemi di propulsione e generazione di energia su una nave. In un'epoca caratterizzata da densità di potenza sempre crescenti e da un programma di riduzione delle emissioni sempre più stringente, l'importanza e le sfide legate alla gestione termica del motore si sono ampliate. La diffusione degli scambiatori di calore a piastre (PHE) come scelta ottimale per il raffreddamento del motore—grazie alla loro efficienza nello scambio termico e alle dimensioni compatte, insieme alla necessità di accoppiare con precisione tutte le proprietà idrauliche, dei materiali e operative del sistema per garantire una maggiore durata—è diventata prassi consolidata.

Perché scambiatori di calore a piastre per motori marini?

Rispetto a uno scambiatore di calore tradizionale a fascio tubiero, uno scambiatore di calore a piastre trasferisce fino a cinque volte il coefficiente di scambio termico grazie alla turbolenza indotta dalle piastre corrugate. L’efficienza dello scambiatore a piastre (PHE) si traduce direttamente in dimensioni e peso notevolmente ridotti, un fattore critico per i motori marini con vincoli di spazio. Grazie al loro design modulare, è possibile installare facilmente ulteriori piastre qualora sia richiesto un maggiore scambio termico, ad esempio a causa di carichi variabili sul motore o di una maggiore richiesta sul sistema di raffreddamento. L’approccio termico ravvicinato negli scambiatori a piastre consente un raffreddamento più efficace dell’acqua di giacca e dell’olio lubrificante, ottimizzando così le prestazioni e la durata del sistema di combustione del motore.

Principali punti di integrazione nel circuito di raffreddamento

I motori marini dispongono di un sistema di raffreddamento a due circuiti, costituito da un circuito ad alta temperatura ad acqua dolce che raffredda il blocco motore e da un circuito a bassa temperatura ad acqua di mare che rimuove il calore trasferito dall’acqua dolce in uno scambiatore centrale. Gli scambiatori di calore a piastre possono svolgere due funzioni in questo sistema: come raffreddatore principale dell’acqua della giacca del motore oppure come raffreddatore dell’olio lubrificante. Come raffreddatore principale dell’acqua della giacca del motore, lo scambiatore a piastre trasferisce il calore dal circuito ad acqua dolce all’acqua di mare e mantiene la temperatura dell’acqua della giacca nell’intervallo operativo compreso tra 75 °C e 85 °C.

Lo scambiatore a piastre utilizzato come raffreddatore dell’olio lubrificante regola la temperatura dell’olio lubrificante a un valore pari o inferiore a una temperatura specificata, al fine di mantenere la viscosità corretta.

Oltre al raffreddamento dell’acqua della giacca e dell’olio lubrificante, gli scambiatori di calore a piastre (PHE) vengono utilizzati anche per raffreddare l’aria in uscita dal turbocompressore in un circuito analogo, al fine di aumentare la densità dell’aria che entra nel motore e migliorare così l’efficienza della combustione. Ciascuna di queste applicazioni presenta pressioni, temperature e caratteristiche di incrostamento diverse, che determinano le dimensioni del sistema.

Considerazioni sui materiali e sulla progettazione per impiego marino

A causa dell’ambiente corrosivo dell’acqua di mare in applicazioni marine, la scelta accurata dei materiali per le piastre è fondamentale. Il titanio offre la migliore protezione contro la corrosione da pitting, da fessura e galvanica indotta dai cloruri, tipica di un flusso di acqua di mare calda e clorata. L’acciaio inossidabile 316L può spesso essere specificato sul lato acqua dolce dello scambiatore a piastre (PHE) a un costo notevolmente inferiore, garantendo comunque una buona resistenza alla corrosione. Per flussi più corrosivi di acqua dolce o di olio lubrificante, possono essere specificati la lega 254 o l’acciaio duplex, per ottenere maggiore resistenza meccanica e resistenza alla corrosione. Anche la scelta del materiale della guarnizione deve tenere conto di fattori combinati quali le temperature cicliche, la chimica del fluido e l’effetto del creep sotto compressione.

I materiali comunemente scelti per gli scambiatori di calore a piastre (PHE) sono il nitrile, l’EPDM e l’FKM (Viton), ciascuno con diversi intervalli di temperatura operativa e diverse resistenze a specifiche composizioni chimiche dei fluidi. Va notato che la caduta di pressione attraverso un PHE dovrebbe essere limitata a circa 1–2 bar per entrambi i circuiti, per evitare sovraccarichi della pompa o condizioni di bassa portata.

Idraulica del sistema e migliori pratiche di installazione

L’uso corretto del pacchetto di piastre di un PHE va oltre la semplice scelta del materiale. L’idraulica e la progettazione del sistema hanno implicazioni significative sul corretto funzionamento dello scambiatore di calore. Il sistema deve essere progettato per ridurre al minimo la lunghezza delle tubazioni e garantire un facile accesso al fascio di piastre per la manutenzione. L’orientamento e la posizione ottimali del PHE devono minimizzare la lunghezza delle tubazioni e consentire un agevole intervento di pulizia del fascio di piastre, poiché lo svuotamento del PHE è necessario per permettere il ritiro del fascio.

La prassi standard prevede il posizionamento verticale dello scambiatore di calore a piastre (PHE) per consentire un corretto drenaggio di entrambi i circuiti e la fuoriuscita dell’aria intrappolata. È necessario installare filtri in entrambi i flussi di fluido, immediatamente prima dell’ingresso dello scambiatore di calore a piastre, per proteggere le piastre e il sistema di guarnizioni da contaminanti e danni. Le temperature e le pressioni devono essere monitorate in entrambi i circuiti mediante manometri e termometri opportunamente posizionati; inoltre, occorre tenere conto della dilatazione termica di entrambi i circuiti di fluido, utilizzando opportuni anelli di espansione o raccordi flessibili per evitare sollecitazioni eccessive sui bulloni di fissaggio dello scambiatore di calore a piastre. Per le imbarcazioni equipaggiate con più motori e relativi scambiatori di calore a piastre, devono essere previste valvole che consentano l’isolamento e la manutenzione di uno scambiatore di calore a piastre senza dover fermare l’intera unità.

Monitoraggio delle prestazioni e integrazione della manutenzione

L'integrazione del sistema di uno scambiatore di calore a piastre (PHE) non è un'operazione "installa e dimentica", ma richiede il monitoraggio dei parametri operativi del PHE per garantire che funzioni con l'efficienza progettata. Gli indicatori di allarme sono deviazioni significative dai valori desiderati della temperatura del fluido in uscita, un aumento della caduta di pressione in uno dei due circuiti e il monitoraggio della velocità di infiltrazione di acqua di mare nel circuito dell'acqua dolce. Se si osserva un deterioramento delle prestazioni, una pulizia chimica del PHE ne ripristinerà l'efficienza originale di trasferimento termico nel caso di incrostazioni organiche, mentre lavaggi ad alta pressione e alta temperatura possono essere utilizzati per rimuovere le incrostazioni calcaree. Programmando la manutenzione ordinaria in concomitanza con i periodi di manutenzione del motore, è possibile ridurre il numero di fermi non pianificati e aumentare la durata effettiva delle piastre e delle guarnizioni.

Conclusione

Scegliere di integrare scambiatori di calore a piastre nei motori marini garantisce condizioni ottimali, assicurando il massimo grado di trasferimento termico negli spazi più ridotti, mantenendo al contempo un’eccezionale flessibilità in termini di capacità. Il Gruppo SME opera nel settore dell’ingegneria marina da oltre vent’anni e dispone di un sistema qualità certificato ISO per interi sistemi di raffreddamento, che garantisce una gestione meticolosa, anche per interventi di retrofit. Inoltre, una struttura di 5.000 m² con cento ingegneri e tecnici consente a SME di completare tutti i vostri progetti marini sotto lo slogan "Beyond Concern", supportandovi e servendo ogni anno circa mille imbarcazioni con sistemi e ricambi originali. Il Gruppo SME è il partner ideale per ottimizzare sia le prestazioni sia la durata dei sistemi di raffreddamento dei vostri motori marini; non esitate a contattarci per discutere i dettagli dei vostri prossimi progetti, così da potervi fornire un preventivo per un Marine Cooling System.