Gli scambiatori di calore sono componenti essenziali nei motori marini, svolgendo un ruolo cruciale nel mantenimento delle performance e nella protezione del motore stesso. Infatti i grandi motori che spingono le moderne navi hanno bisogno di essere raffreddati, così come qualsiasi altro motore endotermico.
Funzionamento e Tipologie
Il principio di funzionamento è quello di trasferire il calore da un fluido più caldo a uno più freddo. Le alte temperature che raggiunge il motore vengono mitigate da un circuito chiuso con acqua dolce. Questa viene a sua volta raffreddata, tramite uno scambiatore di calore (ha la stessa funzione del radiatore di un automobile), da acqua salata.
Esistono diverse tipologie di scambiatori di calore, tra cui:
- Scambiatori a fascio tubiero: Un tempo realizzati in cupro-nickel (o ottone ammiragliato) per la resistenza alla corrosione dell'acqua di mare, sono caratterizzati da coefficienti di scambio termico bassi e dimensioni importanti.
- Scambiatori a piastre: Offrono dimensioni più compatte e un coefficiente di scambio globale circa 4 volte superiore rispetto agli scambiatori a fascio tubiero.
Uno scambiatore a piastre aventi pari caratteristiche termiche di uno scambiatore a fascio tubiero ha infatti dimensioni nettamente più compatte, e non richiede gli spazi contigui necessari alla manutenzione richiesti dallo scambiatore a fascio tubiero scovolabile, ingombri necessari per poter inserire e disinserire gli attrezzi per la scovolatura dei tubi. Lo scambiatore a piastre infatti si smonta e si rimonta nello spazio complessivo del suo telaio, richiedendo solo un poco di spazio laterale per l’eventuale rimozione delle piastre (il normale spazio d’accesso che serve per qualsiasi apparecchiatura). Gli scambiatori a piastre per acqua di mare vengono realizzati con piastre in titanio, materiale che ha elevatissima resistenza alla corrosione da cloruri, senza bisogno di alcun sovraspessore di corrosione.
Sempre legato a motori diesel a gasolio o nafta pesante, tipicamente motori marini per applicazioni in navi mercantili, traghetti e navi da crociera, è poi l’utilizzo di scambiatori di calore per il preriscaldamento dell’olio combustibile che alimenta i motori endotermici. In tutte queste applicazioni, l’olio che viene utilizzato come elemento di forza e di trasmissione dell’energia, si riscalda e deve di conseguenza essere costantemente mantenuto alla temperatura corretta perché non perda le proprie caratteristiche.
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Infine, gli elementi installati nei quadri elettrici, azionamenti e componentistica elettronica di potenza quali inverter, induttori e convertitori, che si trovano spesso in zone anguste e poco areate, impongono anch’essi sistemi di raffreddamento dedicati. Il binomio elettronica e acqua è sicuramente problematico, ma le pesanti condizioni operative e i tassi elevati di riscaldamento prodotti non possono essere gestiti da sistemi analoghi ai dissipatori ad alette montati a contatto che si trovano nei personal computer. L’acqua che viene utilizzata è solitamente deionizzata o demineralizzata, in ogni caso deve essere perfettamente filtrata, allo scopo di non sporcare/intasare la circuitazione di raffreddamento dei componenti.
L'Intercooler
L'intercooler è un alloggiamento fuso che contiene il refrigerante del motore. Questo è attraversato da un fascio di tubi chiamato nido d'ape e attraverso il quale viene fatta circolare l'acqua di mare, che viene aspirata sotto lo scafo e poi scaricata attraverso lo scarico. Lo scambiatore di calore è quindi l'equivalente nautico del radiatore di un'automobile.
Aftercooler
L’aftercooler del motore marino raffredda l’aria proveniente dal turbocompressore mediante l’utilizzo dell’acqua di mare o del liquido di raffreddamento.
Manutenzione degli Scambiatori di Calore
Il funzionamento efficiente dello scambiatore incide direttamente su performance e produttività, con impatti evidenti sui costi industriali. Tuttavia, la natura dei fluidi impiegati rende fisiologico un progressivo accumulo di sporco, con conseguente perdita di resa termica. Per contenere tali effetti è indispensabile un monitoraggio costante e l’implementazione di un piano di manutenzione programmata.
Tipologie di Incrostazioni e Rischi Associati
Ecco una sintesi delle forme più comuni di incrostazione che possono alterare l’efficienza degli scambiatori:
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- Residui da particolato
- Depositi da corrosione
- Materiali biologici
- Cristallizzazione di sali o composti
- Prodotti di reazioni chimiche
- Congelamento di fluidi
In molti casi, l’accumulo non dipende da un solo fenomeno, ma può derivare da interazioni simultanee di più meccanismi. Le incrostazioni si intensificano progressivamente nel tempo. E’ buona pratica considerare un coefficiente di “sporco” tollerabile in fase di progettazione, pur raccomandando comunque una manutenzione regolare e preventiva per garantire prestazioni stabili nel tempo.
Interventi Programmati e Ordinari
Una gestione preventiva della manutenzione contribuisce a prolungare la durata operativa degli scambiatori e a preservarne l’efficienza in linea con i parametri di progetto. Nel tempo, la manutenzione ordinaria pianificata si rivela una scelta economicamente vantaggiosa, poiché consente di prevenire guasti imprevisti e ridurre i costi legati a fermi non programmati o alla necessità di sostituire completamente l’apparecchiatura.
CDR Italia S.p.A. mette a disposizione delle imprese un servizio strutturato di manutenzione ciclica, comprensivo di verifiche tecniche periodiche per monitorare lo stato di funzionamento degli scambiatori.
Interventi Straordinari
In situazioni in cui si riscontrano criticità significative nelle condizioni operative o nei componenti interni, diventa necessario procedere con una manutenzione straordinaria. Anche in questi contesti, siamo in grado di intervenire con tecnici qualificati e con un approccio professionale che garantisce affidabilità ed efficacia operativa.
Passaggi Chiave per la Manutenzione
- Smontaggio dello scambiatore: Rimuovere gli accessori del motore che ostacolano l'accesso. L'alloggiamento dello scambiatore ha 2 coperchi, uno per ogni estremità, fissati da una semplice vite centrale.
- Ispezione: Verificare l'ingresso, il lato da cui arriva l'acqua di mare, per individuare impurità e residui.
- Rimozione delle guarnizioni: Estrarre le guarnizioni con cura, anche se dovranno essere sostituite.
- Estrazione del fascio tubiero: Spingere il fascio da un'estremità, picchiettando delicatamente se necessario.
- Pulizia: Raschiare l'esterno della trave e pulire i tubi internamente ed esternamente.
- Bagno anticalcare: Immergere l'intero pezzo in un bagno anticalcare, risciacquando accuratamente in seguito.
- Riassetto: Riassemblare il cablaggio e le guarnizioni, riempiendo lo scambiatore con il refrigerante.
- Spurgo dell'aria: Con il motore in funzione, spurgare l'aria dal circuito aprendo i tappi.
Ulteriori Considerazioni
- Termostato: Assicurarsi che il termostato funzioni correttamente per mantenere la temperatura del motore costante.
- Monitoraggio della turbina: Controllare regolarmente la turbina per assicurarsi che le pale non siano usurate.
- Aftercooler: Eseguire ispezioni periodiche dell'aftercooler per verificare lo stato dei passaggi di acqua di mare e aria, procedendo alla pulizia e sostituzione delle guarnizioni se necessario.
È importante, soprattutto con l'avvicinarsi dell'inverno, controllare il livello e la qualità del liquido nel circuito interno. Deve contenere un fluido per quattro stagioni che non rischia di congelare. Lo stesso vale per il circuito esterno se si naviga in acqua dolce.
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L'impianto di raffreddamento è uno dei componenti più importanti di un motore marino, ma non è un mistero insondabile e la sua manutenzione è alla portata di un dilettante, sia esso sostituire la girante della pompa o pulire il fascio di scambiatori.
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