MATERIALI. Scambiatori per situazioni climatiche aggressive (di stagione...!)
Dagli scambiatori in rame/alluminio a soluzioni esoteriche in quasi metalli e' un attimo. Applicazioni e soluzioni
15 giugno 2022
Capita di frequente di dover effettuare installazioni di apparecchiature per la climatizzazione o refrigerazione in ambienti "aggressivi" dal punto di vista chimico o fisico, ed in questi casi le prestazioni degradano molto rapidamente. Ad esempio al mare...
Le prestazioni ed il rendimento di una macchina frigorifera dipendono fortemente dall'integrita' degli scambiatori stessi, che sono dimensionati in relazione a quel risultato. Ma, se vengono installati in ambienti ad alta possibilita' di corrosione e deperimento si rischia di non ottenere le temperature e le umidita' relative desiderate.
Tenerne conto e' fondamentale in fase di progetto e preventivo.
Alcune volte queste condizioni si trovano anche negli ambienti naturali. Ad esempio, nelle installazioni in prossimita' del mare. In altri casi, invece, le condizioni ambientali esterne o interne di detrimento sono create da processi industriali da controllare (ambienti dove la merce da "trattare termicamente" riceve anche "trattamenti chimici") o da ambienti aggressivi determinati dalla presenza di prossimita' di poli industriali che immettono in atmosfera scarichi corrosivi.
Recentemente, durante il periodo della pandemia da Covid19, ci siamo imbattuti nelle piu' improbabili situazioni di trattamento delle batterie di scambio con soluzioni sanificanti contenenti ozono, ammoniaca, alcoli, etc. Lo studio del direttore CSIM ha dimostrato che non tutti i materiali per gli scambiatori tradizionali sono adeguati a quel trattamento (LINK).
Il prolungamento della vita di uno scambiatore (evaporatore o condensatore) ha molti vantaggi. Soprattutto se è installato in ambienti corrosivi come vicino al mare o in ambienti industriali in cui sono presenti contaminanti corrosivi nell'aria come anidride solforosa, acido solfidrico e cloro.
L'estensione della vita utile, il mantenimento dell'efficienza termica, la riduzione della caduta di pressione e il contenimento del consumo energetico dovrebbero essere gli obiettivi per qualsiasi installazione.
Tutto ciò che può rendere questi obiettivi una realtà dovrebbe essere considerato quando si progetta e si specifica un sistema HVAC.
Partiamo dalle definizioni: la corrosione è descritta come il processo di decomposizione di un materiale che porta di conseguenza al deterioramento delle caratteristiche meccaniche e fisiche del materiale stesso.
per poterne parlare in modo adeguato ed omogeneo, esiste la definizione di Categorie di corrosività dell'ambiente indicato dalla norma EN ISO 12944, e facciamo riferimento qui di seguito ad alcuni esempi per ambienti tipici in un clima temperato
Area esterna
- C1 Nessun campo di applicazione consigliato
- C2 Atmosfere a bassa contaminazione, solitamente aree rurali
- C3 Atmosfera urbana e industriale con moderata contaminazione dell'aria – regioni costiere con basso carico salino
- C4 Aree industriali – zone costiere con moderato carico salino
- C5-I Aree industriali con elevata umidità dell'aria e atmosfera aggressiva
- C5-M Aree costiere e offshore con elevato carico salino
Aree interne
- C1 Edificio riscaldato con atmosfere neutre
- C2 Edificio non riscaldato dove può svilupparsi condensa
- C3 Locali di produzione con elevata umidità dell'aria e una certa contaminazione dell'aria, come produzione alimentare, lavanderie, birrifici
- C4 Impianti chimici, piscine
- C5-I Edifici o aree con condensa quasi costante e forte contaminazione
- C5-M Edifici o aree con condensa quasi costante e forte contaminazione
A queste situazioni corrispondono normalmente finiture delle batterie diverse per resistere a quel livello di esposizione. Ad esempio:
- Rame-alluminio Cu-Al / tipicamente C2
- Resina epossidica alodina / C3
- Resina fenolica / C5-I + C5M
- Rivestimento ad immersione 35 / C4
- Rivestimento per immersione 60 / C5-I
- Acciaio zincato Zincatura a caldo per immersione / C3
Dato l’ambiente e la sua classificazione, di solito i test vengono svolti secondo la norma ISO 9227, una prova di corrosione in atmosfere artificiali. È una forma di test in nebbia salina. La ISO 9227 è particolarmente utile per rilevare discontinuità, pori e danni nei rivestimenti organici e inorganici, nonché per valutare la resistenza alla corrosione dei materiali metallici. È anche un mezzo per determinare se la qualità comparativa di un materiale metallico, con o senza protezione dalla corrosione, è preservata.
Altra norma utile (e molto simile) e' la ASTM G85 Allegato 3; si tratta di un “test dell'acqua di mare sintetica acidificata” (comunemente indicato anche come test dell'acido acetico dell'acqua di mare - SWAAT), e viene utilizzato per testare la resistenza alla corrosione di leghe di alluminio rivestite o non rivestite e altri metalli quando sono esposti a un clima mutevole di acqua di mare sintetica acidificata spray, seguito da elevata umidità, entrambi a temperatura elevata. SWAAT è un test aggressivo che è diventato uno standard del settore quando si valuta la durata della corrosione degli scambiatori di calore in alluminio. Il test ASTM-B117, invece, è una forma accelerata per il test di corrosione atmosferica limitato alla sola determinazione dell'effetto corrosivo del sale su oggetti metallici e non tiene conto degli acidi che si trovano comunemente nei luoghi dove i sistemi HVAC sono installati in ambienti corrosivi.
Riportiamo i risultati di un test effettuato da Modine utile per comprendere la portata della corrosione per i suoi effetti negli scambiatori.
Nelle immagini possiamo vedere i risultati di questo test SWAAT eseguito su un condensatore con tubo di rame e batteria in alluminio alettata. Il condensatore è stato costruito con piastre laterali in acciaio zincato, tubi di rame rigati e alette in alluminio lanceolate (16 alette per pollice).
Sono stati testati tre condensatori identici:
• Condensatore nudo, non rivestito per confronti della linea di base
• Condensatore catodico con rivestimento epossidico con rivestimento UV aggiuntivo* e
• Condensatore a rivestimento fenolico modificato immerso/spruzzato
Il rivestimento UV aggiunto ha ulteriormente ridotto il trasferimento termico della batteria rispetto al solo rivestimento epossidico.
I rivestimenti sono stati applicati ai condensatori secondo le procedure normate.
La procedura di test includeva 2000 ore SWAAT totali con incrementi di 500 ore con una settimana tra l'esposizione SWAAT per i test delle prestazioni.
Le fotografie di tutti e tre i condensatori sono state scattate come riferimento di riferimento (nudo e dopo l'applicazione del rivestimento) e alla fine di ogni esposizione della cabina SWAAT di 500 ore.
Il condensatore con rivestimento epossidico catodico, anche con rivestimento UV aggiuntivo, ha mantenuto velocità di trasferimento del calore significativamente più elevate su tutte le esposizioni dell'armadio SWAAT e velocità dell’aria, con prestazioni del condensatore con rivestimento fenolico modificato immerso/spruzzato che scendono in media a 0,95 e la batteria nuda che mostra un valore di degradazione tra 15 e il 20 percento dopo l'esposizione SWAAT di 2000 ore.
Inoltre, i test mostrano chiaramente che la corrosione inibisce il flusso d'aria, che a sua volta influisce sulla velocità di trasferimento del calore. Il condensatore con rivestimento fenolico ha perso la maggior parte del flusso d'aria (caduta di pressione) poiché il suo rivestimento si è delaminato dalle alette, con conseguente riduzione dello spazio tra di esse. Questa significativa caduta di pressione non si e’ avuta nella stessa misura nella batteria nuda, in particolare dopo l'esposizione SWAAT di 2000 ore. Si noti che il condensatore catodico con rivestimento epossidico ha subito una caduta di pressione trascurabile durante le quattro esposizioni dell'armadio SWAAT.
Con l'aumento della corrosione si ottiene un trasferimento termico ridotto e maggiori cadute di pressione attraverso le alette della batteria. A tutto questo si aggiunge un maggiore consumo di energia per il funzionamento del ventilatore e del compressore, maggiori pressioni di esercizio e possibilità di intervento di pressostati/finecorsa.
Si noti che il consumo di energia del sistema per il condensatore catodico con rivestimento epossidico è essenzialmente costante per tutte e quattro le esposizioni SWAAT, mentre i condensatori nudi e con rivestimento fenolico modificato immersi/spruzzati subiscono aumenti molto simili nel consumo di energia.
La capacità di controllare e mitigare la corrosione del condensatore e dell'evaporatore è il fattore principale che determina l'efficienza, la durata e i costi operativi di un sistema.
Se selezionato e applicato correttamente e se vengono seguiti i protocolli di manutenzione prescritti, il rivestimento corretto può offrire un notevole ritorno sull'investimento non sempre associato ai costi di installazione iniziali.
Come sempre, seguire le indicazioni dei produttori e i requisiti di manutenzione periodica sono fondamentali per realizzare la capacità di un rivestimento di offrire maggiore economia e durata del sistema.
I risultati di test effettuati in tal senso, dimostrano che il condensatore catodico con rivestimento epossidico ha fornito i maggiori vantaggi:
• Corrosione della durata minima del sistema prevista
• Mantenimento di maggiori velocità di trasferimento del calore
• Riduce notevolmente i tassi di caduta di pressione
• Mantenimento dell'efficienza energetica
• Fornire il massimo ROI e risparmio energetico durante la vita operativa del sistema
I proprietari delle apparecchiature che desiderano prolungare la vita del sistema e l'efficienza operativa degli impianti nel loro edificio dovrebbero prendere in considerazione la possibilità di investire nel miglior rivestimento dello scambiatore disponibile, che non solo farà risparmiare denaro a lungo termine, ma ridurrà anche la possibilità di perdite di refrigerante causate dalla corrosione e dalle conseguenti interruzioni e costose chiamate di servizio.
Nel caso di scambiatori di altro tipo e per altre applicazioni, si hanno soluzioni anche piu’ complesse. Ad esempio, i materiali candidati per gli scambiatori di calore nell'uso in sistemi di conversione dell'energia termica oceanica, OTECS, includono oltre al classico alluminio, il Cu-Ni, acciaio inossidabile e leghe di titanio.
In questo caso le leghe di alluminio presentano importanti carenze per la lunga durata prevista degli scambiatori di calore OTEC; tuttavia possono ancora offrire un'alternativa economica sotto forma di unità usa e getta di breve durata con un basso costo di capitale iniziale.
Gli effetti a lungo termine dell'esposizione all'ammoniaca e all'erosione pongono invece interrogativi sull'idoneità delle leghe Cu-Ni.
Le leghe di acciaio inossidabile rappresentano una forte sfida per l'uso in ambito OTECS, mentre il titanio mostra le migliori prestazioni in acqua di mare, ha una buona fabbricabilità e ha un'eccellente storia di servizio in ambienti marini.
Questi fattori, insieme agli sviluppi attuali e previsti, promettono notevoli risparmi nell'utilizzo dei materiali, dimensioni ridotte della struttura OTECS e maggiore efficienza conseguente all'uso del titanio e delle sue leghe.
Insomma, se si vuole risparmiare dopo, e' bene investire qualcosa prima, soprattutto per gli scambiatori....
CSIM sviluppa attivita' di consulenza per il settore HVAC, per informazioni CONTATTI.
La Redazione
Riferimenti:
- “Overview of metallic materials for heat exchangers for ocean thermal energy conversion systems”, April 1987Journal of Materials Science 22(4):1141-1149, P. Kapranos, R. Priestner
- “HVAC Coil Coatings–Pay Now or Pay Later...and Perhaps Much More” | January 2020, INS75-165, Modine
- ISO 9227: 2017 Prove di corrosione in atmosfere artificiali - Prove in nebbia salina