Ottimizzazione dei disegni delle piastre per il trasferimento di calore marino

Supportato da un laboratorio di produzione di 5.000 m² a Nantong e da oltre 100 ingegneri elettrici e meccanici, il gruppo SME fornisce servizi all’industria offshore e dell’ingegneria marina da oltre 20 anni, garantendo tuttora un servizio di elevata qualità e sempre aggiornato. Ogni anno eseguiamo oltre 500 lavorazioni e forniamo componenti a più di 1.000 imbarcazioni. Questo blog analizzerà il disegno ottimale della piastra per lo scambiatore di calore a piastre, che costituisce il cuore del sistema marino, e illustrerà come tali disegni ottimali consentano di ottenere elevate efficienze termiche ed economiche grazie a una migliore comprensione del controllo dell’attrito del fluido e del flusso termico nei nostri sistemi di raffreddamento, riscaldamento e recupero del calore di scarto.

Angolo a spina di pesce e il suo compromesso tra trasferimento di calore e caduta di pressione

Il parametro geometrico più importante nella progettazione degli scambiatori di calore a piastre (PHE) è l’angolo a spina di pesce (o angolo a spina di pesce). Come sempre, maggiore è l’angolo a spina di pesce (ad esempio da 60° a 75°), maggiore è la turbolenza generata, con conseguente aumento del coefficiente di scambio termico, ma anche un corrispondente e notevole incremento della caduta di pressione e della potenza di pompaggio. D’altra parte, angoli più piccoli (30°–45°) oppongono minore resistenza, ma offrono prestazioni termiche inferiori. Quando in applicazioni marittime vengono impiegati fluidi viscosi come l’olio lubrificante, gli scambiatori di calore a piastre (SME) non utilizzano comunemente una singola piattaforma. L’intervallo di applicazioni degli SME finora sviluppato comprende l’uso di configurazioni miste di piastre, ad esempio con angoli elevati per il percorso dell’acqua e angoli ridotti per il percorso dell’olio, o combinazioni analoghe, al fine di ottenere prestazioni termiche accettabili senza subire perdite di pressione elevate. Questa soluzione ibrida rappresenta una soluzione ottimale complessiva dal punto di vista termico e idraulico, fondamentale nei progetti di retrofit e di nuova costruzione in cui sono coinvolti gli SME.

Profondità, Passo e Rapporto d'Aspetto della Corrugazione

Oltre all'angolo, la profondità della corrugazione (h), il passo (P) e il rapporto d'aspetto (2b/λ) influenzano direttamente le prestazioni. Maggiore è la profondità delle corrugazioni, maggiore risulta la superficie di scambio termico e più intensa diventa la separazione dei flussi, consentendo così un potenziamento locale dello scambio termico grazie al mescolamento secondario. Tuttavia, tali parametri aumentano anche il fattore d'attrito, causando una caduta di pressione più elevata. Studi basati sul metodo Taguchi per riscaldatori marini a gas hanno individuato una relazione ottimale: ad esempio, nel caso di diametro della corrugazione pari a 6 mm, profondità della corrugazione pari a 1 mm e inclinazione della corrugazione di 45°, si è ottenuto un miglioramento del 37,41% dell'indice di prestazione complessiva (TP) rispetto al design convenzionale. Queste tecniche di ottimizzazione basate sui dati vengono utilizzate da SME per definire la geometria delle piastre in funzione delle condizioni operative specifiche della nave, al fine di non rinunciare ai vantaggi in termini di prestazioni termiche a causa di costi eccessivi di pompaggio.

Motivi asimmetrici e modificati per richieste di flusso variabili

Flusso sul lato caldo Nel processo di flusso sul lato caldo del sistema marino si può sfruttare il fatto che la portata massica può differire significativamente rispetto a quella di altri sistemi; ad esempio, la portata dell’acqua di riscaldamento può raggiungere valori multipli rispetto alla portata attraverso un rubinetto dell’alloggiamento. Quando tale configurazione è realizzata in modo simmetrico su tutti i canali di flusso, il risultato è un aumento complessivo della caduta di pressione nel circuito ad alta portata, senza tuttavia modifiche alla resistenza meccanica o all’efficienza termica. Le piastre a canali di flusso non uniformi — ad esempio quelle con un’area trasversale aumentata in un canale, oppure con profondità di stampaggio ridotta o costolature variabili in uno di tali canali — presentano una perdita di carico ridotta su tale canale più ampio, entro i limiti meccanici consentiti, mantenendo al contempo buone capacità di scambio termico. Inoltre, studi recenti hanno ottenuto prestazioni termo-idrauliche superiori con piastre a zigzag (rapporto di angolo >1 in piastre a spina di pesce separate), nelle quali l’effetto del potenziamento della turbolenza supera l’aumento della resistenza al flusso. Questa ottimizzazione molto avanzata viene valutata dagli ingegneri delle PMI per navi operanti in scenari estremamente diversi; le soluzioni a valore aggiunto proposte consentiranno ai proprietari di navi di ridurre il consumo energetico.

Geometrie superficiali a fossette e innovative

Studi condotti negli ultimi anni hanno esaminato la possibilità di sostituire i tradizionali motivi a spina di pesce con piastre a fossette (a punto d’onda) dotate di piastre circolari convessi. Mediante ottimizzazione numerica con il metodo della superficie di risposta, sono stati individuati i parametri ottimali (diametro del punto d’onda di circa 5,2 mm, profondità di 0,9 mm e inclinazione di 42°) per ottenere un miglioramento massimo delle prestazioni (fattore JF) pari al 11,92% rispetto ai tradizionali disegni a spina di pesce. In questo nuovo design, le geometrie sono state progettate per favorire la turbolenza e lo strato limite termico, mantenendo comunque una caduta di pressione accettabile. SME continua a seguire con grande attenzione tali nuovi sviluppi e applica le innovazioni consolidate, ove pertinenti, alle soluzioni di retrofit e di nuova costruzione, per aiutare i clienti a rimanere conformi agli standard più recenti in materia di efficienza ed emissioni.

Conclusione: Progettazione precisa delle piastre per l’efficienza marittima

L'ottimizzazione dei modelli di piastre non è una procedura operativa standard e richiede uno studio dettagliato delle proprietà del fluido, delle portate, delle cadute di pressione ammesse e del carico termico. SME Group è certificata ISO 9001/14001/45001 e mette a disposizione di ogni progetto oltre due decenni di esperienza nel trasferimento di calore marino. La nostra rete locale garantisce una risposta rapida nei cantieri navali di tutto il mondo, in particolare nella Cina continentale, permettendo ai vostri scambiatori di calore di funzionare al massimo delle loro prestazioni. SME vi offre una garanzia di 12 mesi e la volontà di fare più che soddisfare — e superare — le vostre aspettative: la volontà di farvi risparmiare ancora più energia grazie al nostro impegno nell’ottimizzazione dei modelli di piastre per ottenere risparmi energetici misurabili. Contattate oggi i nostri esperti tecnici per discutere le specifiche esigenze di riscaldamento della vostra unità.