Modelli per l'analisi di scambiatori di calore ad alta temperatura

Introduzione 
 
Introduzione 
 
L’analisi delle problematiche relative alla progettazione di scambiatori di calore 
ad alta temperatura coinvolge diversi settori industriali. 
Solo per citare alcuni esempi, i principali interventi di miglioramento delle 
prestazioni dei sistemi per la generazione di energia consistono nell’innalzamento 
delle condizioni termodinamiche e/o nell’ottimizzazione dei parametri operativi. 
Secondo questo principio, gli impianti basati sul ciclo turbogas operano con 
temperature di ingresso dei gas in turbina che crescono di anno in anno e prevedono 
l’impiego della rigenerazione interna del calore. Nell’ambito dell’industria di 
processo si presenta spesso la possibilità del recupero del calore residuo di gas ad 
alta temperatura, in dipendenza da molti fattori, tra i quali i principali sono la 
temperatura dei gas, la loro composizione e la loro portata disponibile. In altri settori, 
l’impiego di fluidi ad elevata temperatura è imposto dalla natura stessa del processo, 
come accade in molte applicazioni dell’industria termochimica.  
In ognuno di questi casi si presenta la necessità di gestire al meglio gli scambi 
termici ad alta temperatura. 
La definizione di scambiatore di calore ad alta temperatura non è codificata, 
assumendo un significato relativo in base alle tipiche condizioni di processo. In 
termini piuttosto arbitrari, nell’ambito del presente lavoro di tesi sono considerate le 
applicazioni per lo scambio termico con temperature dei fluidi uguali o superiori a 
650°C circa. In queste condizioni la maggior parte dei fluidi di lavoro si trova allo 
stato di gas o di vapore surriscaldato (se si escludono le applicazioni con metalli 
liquidi). 
Gli scambiatori di calore ad alta temperatura trovano impiego in varie tipologie di 
processi avanzati, dove per processo avanzato si può intendere il semplice sviluppo 
di un processo già noto operante in condizioni molto più severe di quanto avviene 
comunemente, oppure un processo convenzionale sotto molti aspetti, che richiede un 
cambiamento sostanziale nei materiali o nel progetto dello scambiatore di calore o 
infine un processo completamente nuovo, praticabile solo grazie al miglioramento 
della progettazione dello scambiatore di calore, delle tecnologie di fabbricazione e/o 
di nuovi materiali. Naturalmente, per alcuni aspetti queste definizioni si 
sovrappongono. Ad esempio, un impianto a vapore ultrasupercritico, con fluidi a 
 1
Introduzione 
 
temperature superiori a 700°C e 300-350 bar di pressione, necessita sicuramente di 
un miglioramento delle prestazioni dei materiali per surriscaldatori. Dal punto di 
vista delle caldaie pressurizzate a letto fluido, ciò rappresenta una semplice modifica 
della tecnologia convenzionale dell’ impianto a vapore, sebbene siano diverse le 
forme di degrado del metallo. Oppure, gli scambiatori per cicli turbogas alimentati 
indirettamente (il cui sviluppo è possibile solo con materiali resistenti a temperature 
superiori a 1100°C in ambienti corrosivi), potrebbero essere interessanti anche per 
chi opera nel settore petrolchimico, avendo ricadute dirette sulla tecnologia dei 
reformer del vapore e degli impianti per l’etilene. 
Un altro esempio di processo che non può essere sviluppato senza un’opportuna 
tecnologia per lo scambiatore di calore è rappresentato dalle turbine a gas a recupero. 
Sia nelle microturbine che in quelle più grandi per la propulsione navale o la 
generazione di potenza, lo sviluppo di questi sistemi è determinato dalle possibilità 
effettive di realizzare il recuperatore. 
Uno dei settori il cui sviluppo è determinante per la tecnologia degli scambiatori 
di calore ad alta temperatura è indubbiamente quello dei materiali. Considerando gli 
aspetti progettuali dei materiali per tali sistemi si possono identificare alcune priorità: 
essi debbono possedere una sufficiente resistenza allo scorrimento viscoso (creep) 
alle temperature di impiego, una buona resistenza alla corrosione e all’ossidazione ad 
alta temperatura ed essere fabbricabili in prodotti adatti all’applicazione negli 
scambiatori di calore (prodotti tubolari o fogli, a seconda del tipo di superficie di 
scambio da realizzare). Questi requisiti spesso sono in parziale conflitto l’uno con 
l’altro e ciò spiega perché in molti casi la soluzione preferita per ambienti di 
esercizio sempre più aggressivi sia ancora oggi quella dell’applicazione di appositi 
rivestimenti resistenti alla corrosione e all’ossidazione. 
Spesso è proprio l’aspetto strutturale che frena lo sviluppo degli scambiatori ad 
alta temperatura, piuttosto che quello termico. Si consideri anche che molti materiali 
per scambiatori ad alta temperatura sono attualmente allo stadio di sviluppo e i dati 
relativi alla loro durata non sono ancora ben definiti. 
Dal punto di vista strettamente termofluidodinamico, la progettazione degli 
scambiatori ad alta temperatura non differisce sostanzialmente da quella degli 
scambiatori con fluidi a temperature inferiori, eccezion fatta per alcuni aspetti: 
 
 2
Introduzione 
 
- Lo scambio termico per irraggiamento assume importanza via via 
crescente con la temperatura dei fluidi e dipende notevolmente anche 
dalla loro composizione. 
- Nella valutazione dei coefficienti di scambio termico si deve 
considerare la variazione delle proprietà termofisiche dei fluidi con la 
loro temperatura. 
 
Se gli aspetti precedenti riguardano propriamente lo scambio termico ad alta 
temperatura si debbono tenere adeguatamente in conto anche altri aspetti, sempre di 
natura termica,  che sono peculiari degli scambiatori di calore ad alta temperatura: 
 
- La valutazione degli effetti e dei problemi legati alle dilatazioni 
termiche dei diversi componenti (si pensi ad esempio alla differenza 
tra temperatura di montaggio e temperatura operativa). 
- L’isolamento termico dello scambiatore e delle tubazioni che vi 
portano i fluidi. 
 
Storicamente, l’attività di ricerca e sviluppo sugli scambiatori di calore ad alta 
temperatura ha avuto un notevole impulso in seguito alle crisi petrolifere degli anni 
’70. Uno degli obiettivi che si poneva la ricerca su questi apparati era infatti il 
risparmio energetico ed un impiego efficace delle risorse primarie. Ma sin dalla 
prima metà degli anni ’80 lo sviluppo delle tecnologie per gli scambiatori di calore 
ad alta temperatura è risultato molto lento, a causa del subentrare di un periodo di 
costi relativamente bassi del combustibile che ha frenato l’industria rispetto a questa 
direzione, poiché si preferì continuare a migliorare i cicli motori esistenti. 
Soltanto negli ultimi 15 anni l’interesse è ripreso, per la maggiore affidabilità dei 
componenti e dei materiali e, forse, per una diversa sensibilità nei confronti del 
problema di impiegare le risorse energetiche in modo più razionale. 
 
 
Obiettivo della tesi 
 
Il presente lavoro nasce dalla considerazione generale che l’ambito dello scambio 
 3
Introduzione 
 
termico ad alta temperatura è attualmente di importanza strategica per molti settori 
industriali. Tematiche quali la riduzione delle emissioni inquinanti, l’incremento 
dell’efficienza energetica, l’impiego razionale delle risorse, che attualmente 
determinano e orientano le politiche energetiche dei paesi industrialmente più 
sviluppati, sono collegate, a ben guardare, anche allo sviluppo di tecnologie atte a 
gestire al meglio gli scambi termici ad alta temperatura. 
È convinzione personale dell’autore che siano di notevole vantaggio e proficui 
per la ricerca il confronto e la condivisione di tematiche simili appartenenti a campi 
applicativi diversi. Ad esempio: la comprensione dei fenomeni dello scorrimento 
viscoso nei materiali per impieghi strutturali, così come le problematiche relative alla 
compatibilità dei materiali stessi con gli ambienti di esercizio, sono alla base della 
possibilità di impiego di tali materiali alle alte temperature, quale che sia la loro 
specifica applicazione. 
Il presente lavoro si propone perciò come un approfondimento ed esame critico, 
seppur in alcuni casi parziale, dei problemi attualmente connessi con l’impiego di 
apparati per lo scambio termico ad alta temperatura, spaziando in ambiti di ricerca 
molto diversi tra loro, da quello della teoria degli scambiatori di calore a quelli più 
industriali delle loro possibili applicazioni, fino agli aspetti di natura progettuale. 
In sintesi il piano della tesi è il seguente: nei primi due capitoli, di carattere 
essenzialmente bibliografico, vengono riportate (cap. 1) le possibili classificazioni 
degli scambiatori di calore, in base a diversi criteri, e (cap. 2) la teoria fondante 
dell’analisi degli scambiatori di calore. Per quanto riguarda quest’ultima, si fa 
riferimento alla trattazione classica basata sull’accoppiamento dell’equazione di 
bilancio con quella che esprime la potenza scambiata, descrivendo poi i due metodi 
principali per lo loro risoluzione ( ε-NTU e LMTD) e confrontandoli tra loro. 
I capitoli centrali sono dedicati all’analisi di alcune specifiche tipologie di 
scambiatori, maggiormente ricorrenti nell’impiego per apparati di scambio termico 
ad alta temperatura. L’analisi degli scambiatori a piastre alettate (Cap.3) è preceduta 
da un breve richiamo alla teoria dell’alettatura e delle superfici estese. Le prestazioni 
delle principali superfici alettate reperibili in letteratura sono valutate con 
correlazioni in forma analitica chiusa appositamente determinate per interpolazione 
dei dati disponibili, al fine di ridurre lo scarto da questi ultimi rispetto ad altre 
correlazioni esistenti. Nel capitolo 4 è analizzato un tipo di scambiatore di 
 4
Introduzione 
 
concezione innovativa, ideato e sviluppato da 15-20 anni, che per sua costruzione ha 
tra i suoi punti di forza proprio la possibilità di operare ad alte e altissime 
temperature. Il capitolo 5 ha per oggetto l’analisi teorica del comportamento 
termofluidodinamico degli scambiatori di calore con tubi a baionetta, molto 
impiegati specialmente quando si è in presenza di fluidi aggressivi su uno dei due lati 
dello scambiatore. 
Nel capitolo 6 sono individuati e analizzati in dettaglio alcuni settori in cui lo 
sviluppo degli scambiatori di calore ad alta temperatura è di fondamentale 
importanza, come quello dei cicli turbogas (di potenza e con microturbina) con la 
rigenerazione interna del calore, i cicli combinati a combustione esterna e i sistemi di 
generazione con reattori nucleari ad alta temperatura raffreddati a gas. Per ognuno di 
questi sistemi si illustrano problematiche e soluzioni attualmente impiegate. Per 
quanto riguarda la rigenerazione nei turbogas di potenza e i cicli a combustione 
esterna sono affrontati due casi studio, uno relativo alla fattibilità di un recuperatore 
da inserire nel ciclo turbogas di un ciclo combinato e l’altro al calcolo delle 
prestazioni di uno scambiatore di calore ad alta temperatura per cicli a combustione 
esterna. In entrambi i casi sono applicate le teorie sviluppate nei capitoli precedenti 
per ciascun tipo di scambiatore. 
Nei capitoli 7 e 8 sono analizzate le problematiche di carattere tecnologico che 
riguardano i materiali da impiegare negli scambiatori di calore, esaminando le loro 
proprietà, le possibilità di applicazione in diversi ambienti operativi (cap. 7) e le 
metodologie più comuni da seguire per una corretta progettazione meccanica dei 
componenti (cap.8). A tal proposito, sono illustrate nel dettaglio le differenze che si 
presentano quando si progetta un componente per l’esercizio ad alta temperatura, in 
primis per la presenza di fenomeni di scorrimento viscoso nei materiali. 
Gli argomenti trattati nella presente tesi sono stati oggetti di lavori pubblicati su 
riviste e/o presentati a convegni nazionali ed internazionali. L’elenco di tali lavori 
riportato in Appendice A. 
 
 
 5
Capitolo 1 - Classificazione degli apparati per lo scambio termico 
 
Capitolo 1 - Classificazione degli apparati per lo scambio termico 
 
 
1.1 Introduzione 
 
Si definisce scambiatore di calore qualsiasi dispositivo atto a trasferire energia 
termica (entalpia) tra due o più fluidi, tra una superficie solida e un fluido o tra un 
particolato solido e un fluido, a differenti temperature e in contatto termico. 
Generalmente negli scambiatori di calore non si ha apporto di calore o di lavoro 
dall’esterno (se si esclude quello necessario a mantenere i fluidi in movimento). La 
necessità del trasferimento di potenza termica tra due o più fluidi è presente in una 
vasta gamma di applicazioni tecnologiche, ad esempio nel condizionamento 
ambientale, nella generazione di potenza elettrica, nell’industria di processo, ecc. 
Pertanto, l’impiego degli scambiatori di calore è diffuso in quasi tutti i settori 
industriali e civili. Essi possono essere classificati secondo vari criteri [1]: 
 
- Il processo di scambio termico 
- La geometria costruttiva 
- La configurazione dei flussi 
- Il meccanismo di scambio termico 
 
Altri possibili criteri di classificazione riguardano il numero di fluidi (2, 3 o più 
di 3) e la compattezza. La definizione di compattezza comprende, in termini alquanto 
arbitrari, le superfici di scambio, e quindi gli scambiatori, per le quali il rapporto tra 
l’area di scambio termico e il volume complessivo dello scambiatore è superiore a 
700 m
2
/m
3
 se si considerano unità operanti con fluidi gassosi e superiore a 300 m
2
/m
3
 
se i fluidi sono in fase liquida o in cambiamento di fase. [2] 
Naturalmente esistono ulteriori classificazioni, come ad esempio quella secondo 
la funzione di processo per cui sono stati progettati (distinguendo tra evaporatori, 
condensatori, riscaldatori, raffreddatori, ecc.) o secondo i tipi di fluidi (gas-gas, gas-
liquido, liquido-liquido, gas con fluido bifase, liquido con fluido bifase, ecc.), 
tuttavia nel seguito verranno considerate in dettaglio solo quelle elencate 
precedentemente, che sono ampiamente sufficienti per inquadrare l’ambito del 
 6
Capitolo 1 - Classificazione degli apparati per lo scambio termico 
 
presente lavoro. 
 
 
1.2 Classificazione secondo il processo di scambio termico 
 
Considerando il processo di scambio, gli scambiatori di calore possono essere 
suddivisi nelle seguenti 4 categorie: 
 
1. A trasferimento diretto o recuperativi 
2. Ad accumulo (storage) o rigenerativi 
3. A letto fluido 
4. A contatto diretto (o a miscela) 
 
Scambiatori recuperativi 
 
In uno scambiatore di calore a trasferimento diretto o recuperatore
1
 i due fluidi 
percorrono contemporaneamente l’apparato; il calore è trasferito attraverso una 
parete che li separa fisicamente e che, teoricamente, ne impedisce il miscelamento. 
Questo è il tipo di scambiatore più impiegato in assoluto. Il tipo più semplice di 
recuperatore è costituito dallo scambiatore a tubi concentrici. In esso un fluido scorre 
nel tubo interno mentre l’altro scorre nell’intercapedine anulare tra i due tubi, come 
riportato in Figura 1. I recuperatori possono essere suddivisi in scambiatori a 
superficie primaria e scambiatori a superficie estesa. Nei primi le superfici di 
scambio sono prive di alette o di superfici estese su entrambi i lati, come accade ad 
esempio per gli scambiatori a tubi e mantello (shell-and-tube) con tubi lisci e per 
quelli a piastre. Gli scambiatori a superficie estesa sono descritti più in dettaglio nel 
par. 1.3. 
                                                 
1
 Si noti che nell’ambito delle turbine a gas per impiego industriale si usa parlare, per tradizione e in 
senso termodinamico, sempre di rigeneratori. In generale, un sistema di rigenerazione del calore tra i 
gas di scarico e l’aria in pressione può essere costituito da un recuperatore o da un rigeneratore, nel 
senso proprio del termine. Inoltre, negli impianti di generazione di potenza il termine recuperatore è 
usato di rado, preferendosi designare il componente in base alla sua funzione o applicazione. 
 7
Capitolo 1 - Classificazione degli apparati per lo scambio termico 
 
   1,o 
   2,o 2,i 
1,i 
Figura 1: Schema di scambiatore di calore a tubi concentrici (flusso controcorrente) 
 
 
Scambiatori rigenerativi 
 
In uno scambiatore di tipo rigenerativo il calore è trasferito dal fluido caldo a 
quello freddo attraverso un mezzo di accoppiamento, sottoforma di matrice solida 
porosa. I due fluidi scorrono alternativamente attraverso la matrice; quello caldo vi 
deposita il calore che è asportato successivamente dal fluido freddo. In molte 
applicazioni si richiede un flusso continuo su entrambi i lati, freddo e caldo. In tali 
casi si impiega generalmente una matrice di forma discoidale rotante, ciascun 
elemento della quale è attraversato in successione dal fluido caldo, poi da quello 
freddo, per tornare nuovamente al primo ad ogni giro compiuto. 
Gli scambiatori di tipo rigenerativo sono impiegati comunemente nei forni aperti 
di fusione dell’acciaio e negli altiforni, nonché in applicazioni a temperature molto 
basse per processi di criogenia nei quali si richiedono prestazioni molto elevate. 
 
Scambiatori a letto fluido 
 
Uno scambiatore di calore a letto fluido è un dispositivo a trasferimento diretto 
tra un fluido ed un materiale solido ridotto in forma di particelle finemente disperse. 
Un secondo fluido (spesso aria) è insufflato attraverso il materiale in polvere come 
agente fluidizzante. La fluidizzazione risultante è caratterizzata da un elevato grado 
di miscelamento delle particelle, da alti coefficienti di scambio termico sul lato fluido 
e da cadute di pressione che non variano molto con la portata del fluido. In Figura 2 è 
 8
Capitolo 1 - Classificazione degli apparati per lo scambio termico 
 
riportato uno schema di scambiatore a letto fluido. 
 
Figura 2: Schema di uno scambiatore a letto fluido 
 
imile allo scambiatore a letto fluido è la caldaia a combustione con letto fluido, 
in 
cambiatori a contatto diretto 
 
 differenza dei tipi di scambiatore già descritti, che possono essere considerati 
tutt
    Ingresso agente fluidizzante
Particelle 
raffreddate 
Particelle 
calde 
Uscita fluido Ingresso fluido 
Letto 
fluidizzato 
  Ciclone
Elementi 
scambianti 
(tubi) 
Uscita agente fluidizzante
S
cui la combustione avviene impiegando l’aria come agente fluidizzante del 
combustibile. Questo è un mezzo efficace per produrre vapore o riscaldare fluidi 
perché il materiale del letto fluido scambia rapidamente il calore con i tubi immersi 
nel letto stesso. Ciò è particolarmente adatto per i combustibili di scarso pregio con 
elevato tenore di ceneri. Rispetto alle caldaie convenzionali la velocità dello scambio 
termico è relativamente alta e la temperatura bassa. Con questa tecnica è possibile 
anche controllare le emissioni inquinanti prodotte dalle caldaie industriali. 
 
S
A
i insieme come scambiatori a contatto indiretto, in quelli a contatto diretto non c’è 
separazione fisica tra i due fluidi. In questo modo si possono ottenere differenze di 
temperatura più contenute e si riduce la formazione di scorie. Il limite principale è 
rappresentato dal fatto che deve essere tollerata la contaminazione di un fluido con 
 9
Capitolo 1 - Classificazione degli apparati per lo scambio termico 
 
l’altro. 
Se deve essere scambiato calore tra un gas ed un liquido si può far gorgogliare il 
gas
e tra due liquidi, uno dei due viene immesso 
nel
.3 Classificazione secondo la geometria costruttiva 
li scambiatori a trasferimento diretto sono spesso descritti considerando le loro 
car
- Scambiatori tubolari 
i estese 
 
Scambiatori tubolari 
 
li scambiatori tubolari sono generalmente costruiti con tubi di sezione circolare, 
all’
dividuare due sottogruppi 
 attraverso il liquido oppure nebulizzare il liquido in forma di goccioline nel gas. 
Molto spesso, negli scambiatori di questo tipo allo scambio termico si accompagna 
uno scambio di materia. Le torri evaporative e i gorgogliatori di lavaggio (scrubbers) 
sono due esempi di tali dispositivi. 
Se lo scambio termico avvien
l’altro come spray in forma di goccioline; è necessario, in questo caso, che i due 
fluidi siano immiscibili. Le dimensioni di uno scambiatore di calore liquido-liquido 
possono essere efficacemente ridotte se il liquido disperso subisce una 
trasformazione di fase (evaporazione o condensazione) nel mezzo continuo. Questo 
tipo di scambio termico ha applicazioni nella dissalazione, nei processi di raffineria e 
nel recupero del calore di scarto da correnti calde. 
 
 
1
 
G
atteristiche costruttive. I principali tipi di scambiatore sono: 
 
- Scambiatori a piastre 
- Scambiatori a superfic
G
interno dei quali circola uno dei due fluidi mentre l’altro scorre all’esterno. Grazie 
alla loro forma essi sono adatti per applicazioni ad alta pressione. La gamma di 
parametri che si possono far variare nel progetto della struttura comprende il numero 
dei tubi, il loro diametro, la loro lunghezza, il passo e il tipo di disposizione 
reticolare. Ciò garantisce una buona flessibilità di scelta. 
Tra gli scambiatori di tipo tubolare si possono in
 10
Capitolo 1 - Classificazione degli apparati per lo scambio termico 
 
prin
sse di 
sca
Figura 3: Rappresentazione schematica di uno scam ll-
con i principali componenti  
 
 questo tipo di scambiatore uno dei due fluidi scorre dentro i tubi mentre l’altro 
sco
varie 
con
cipali: gli scambiatori a tubo concentrico (o a doppio tubo) e quelli a tubi e 
mantello (shell-and-tube). Per quanto riguarda gli scambiatori del primo tipo, è già 
stato precedentemente accennato ad essi (si vedano il par. 1.2 e la Figura 1). Questo 
tipo di scambiatore è forse il più semplice di tutti dal punto di vista costruttivo ed è 
particolarmente adatto quando uno dei fluidi (o entrambi) è ad alta pressione. Se lo 
scambio termico è ridotto si può impiegare per il tubo interno un’alettatura assiale. 
Generalmente si uniscono varie unità singole in serie o in parallelo per ottenere la 
potenza e l’efficienza volute. Lo scambiatore a tubi concentrici si impiega nelle 
applicazioni che richiedono piccole superfici di scambio termico (tipicamente minori 
di 50 m
2
) perché per unità di superficie scambiante risulta abbastanza costoso. 
Gli scambiatori shell-and-tube, cioè a tubi e mantello, rappresentano la cla
mbiatori forse più impiegata nell’industria di processo termo-chimica. Gli 
elementi principali sono (si veda la Figura 3) i tubi, le piastre tubiere, il mantello, le 
testate, i baffles, setti di sostegno dei tubi e di convogliamento del fluido lato 
mantello. 
 
In, fluido 2  Out, fluido 1 
In, fluido1 Out, fluido 2
Mantello
Testata 
Tubi 
Piastra 
tubiera 
Baffle
biatore she and-tube  
In
rre all’esterno. I fluidi impiegati sono generalmente liquidi con o senza 
cambiamento di fase, ma non sono rari gli impieghi con fluidi gassosi. Sia per le 
temperature che per le pressioni gli intervalli di applicazione sono molto ampi. 
Sono possibili varie modifiche alla struttura di base. Le differenze tra le 
figurazioni consistono principalmente in caratteristiche costruttive diverse. La 
TEMA ha standardizzato molte forme progettuali per la testata e per il mantello, 
identificandole con un’opportuna lettera. Ad esempio riferendosi al flusso lato 
 11
Capitolo 1 - Classificazione degli apparati per lo scambio termico 
 
mantello, lo standard TEMA più adottato per fluidi monofase è quello contrassegnato 
come “E”. In esso il fluido lato mantello entra da un’estremità del mantello ed esce 
da quella opposta. In altri casi si preferisce invece che il fluido lato mantello 
attraversi due volte lo scambiatore nella sua lunghezza; ciò è ottenuto ponendo i 
bocchelli di ingresso e di uscita sulla stessa estremità dello scambiatore e inserendo 
un setto di divisione longitudinale all’interno dello stesso. In quest’ultimo caso si 
parla di mantello di tipo “F”. Esistono poi altre forme, accanto alle due 
precedentemente descritte. 
I setti impiegati negli scambiatori shell-and-tube possono essere classificati come 
sett
In questo caso i tubi sono sorretti 
in 
Figura 4: a) Gruppo di quattro setti a barre. b) Reticolo quadrato di tubi con le barre 
 
 diametro delle barre è uguale al passo tra i tubi cosicché i setti sono a contatto 
i longitudinali o trasversali. Scopo dei primi è permettere al fluido lato mantello 
di percorrere più volte la lunghezza del fascio tubiero (come avviene ad esempio con 
un mantello di tipo TEMA “F”). I setti trasversali possono essere costituiti da piastre 
o da barre. Quelli a singola piastra sono impiegati per costringere il fluido lato 
mantello ad effettuare un percorso che si avvicini a quello ortogonale rispetto al 
fascio tubiero; inoltre essi contribuiscono ad aumentare la turbolenza (mixing) dello 
stesso fluido ed esercitano un’azione di supporto dei tubi. Altri tipi di setto a piastra 
sono a forma discoidale e a ciambella (doughnut). 
I setti a barra sono stati adottati più di recente. 
quattro direzioni da una matrice di barre circolari composta da vari setti, come 
illustrato nella Figura 4.  
Setto 1 
Setto 2 
Setto 3 
Setto 4 Anello 
del setto
Barre del 
setto 1 
Barre del 
setto 3 
Barre del 
setto 2 
Barre del 
setto 4 
(a) (b)
Il
 12
Capitolo 1 - Classificazione degli apparati per lo scambio termico 
 
con
mbiatori a tubi e 
ma
Figura 5: Possibili disposizioni dei layout reticolari: a) passo quadrato (90°); b) passo quadrato 
ruotato (45°); c) passo triangolare (30°). La freccia indica la direzione di attraversamento locale del 
 
In generale, per l’impiego negli scambiatori di calore si trovano tubi con diametro 
este
ll-and-tube possono essere classificati anche in base al tipo di 
col
- Scambiatori con piastra tubiera fissa 
 i tubi su tutti e quattro i lati, vincolandoli. In uno scambiatore con questi setti il 
flusso è parallelo ai tubi. La presenza delle barre aumenta la turbolenza e i tubi sono 
sorretti in modo tale da eliminare le vibrazioni indotte dal flusso.  
I tre tipi principali di layout reticolare impiegati negli sca
ntello sono illustrati schematicamente nella Figura 5. 
 
  P 
a) 
 P 
b)
File diverse 
 P 
c) 30° 
fluido 
 
rno che varia da ¼”(6,35 mm) fino a 2 ½”(63,5 mm), ma l’intervallo di 
variazione tipico nelle applicazioni industriali degli scambiatori è tra 5/8”(15,88 mm) 
e 1 ¼”(31,75 mm). Dimensioni minori sono sconsigliate per la difficoltà delle 
operazioni di pulizia interna ed esterna, nonché per la difficoltà di realizzazione (si 
tenga presente che il passo del reticolo dei tubi tipicamente è proporzionale al 
diametro esterno). I diametri più grandi, viceversa, comportano ingombri maggiori 
per lo scambiatore e peggiorano lo scambio termico (si riduce la superficie di 
scambio termico per unità di volume). Il passo varia tra 20,64 mm (0.8125 in.) e 
31,75 mm (1.25 in.).  
Gli scambiatori she
legamento tra il fascio tubiero e il mantello. Si individuano tre tipi fondamentali: 
 
- Scambiatori con testa flottante  
 13