Lo scambiatore di calore è uno dei componenti più importanti all'interno di una caldaia. Il suo compito è centrale: trasferire il calore generato dalla combustione all’acqua del circuito di riscaldamento permettendo, come accennato in precedenza, il riscaldamento degli ambienti e, se previsto, la produzione di acqua calda sanitaria. Questo processo avviene grazie a principi termodinamici ben precisi e attraverso una progettazione ingegneristica che massimizza l'efficienza energetica.
Cos'è uno Scambiatore di Calore?
Lo scambiatore della caldaia è l’elemento in cui avviene lo scambio di calore tra la fonte energetica e l’acqua. Lo scambiatore di calore, pertanto, è un’unità che permette il passaggio di energia termica da un fluido caldo a un fluido più freddo, senza che i due fluidi vengano a contatto diretto. Nelle caldaie, il fluido caldo è rappresentato dai gas di combustione prodotti dalla bruciatura di metano, GPL o altro combustibile; il fluido freddo, invece, è l’acqua del circuito termico. Questo scambio consente all’acqua di raggiungere la temperatura desiderata e circolare nei radiatori o negli impianti a pavimento.
Essendo un elemento in costante contatto con l’acqua è soggetto a depositi di calcare e usura. Ad incidere sullo stato di salute dello scambiatore e sulla sua efficienza sono soprattutto i depositi di calcare. Un’acqua dura, e quindi ricca di quelle sostanze che generano il calcare, aumenta le probabilità che questo si accumuli al suo interno.
Tipi di Scambiatori di Calore
Ogni caldaia ha un modello di scambiatore diverso. Esistono vari modelli di scambiatori in commercio. Scopriamo come.
- Scambiatore monotermico: è ad alette e prevede l'installazione di un secondo scambiatore.
- Scambiatore bitermico: rappresenta l'elemento fondamentale per la produzione di acqua calda, realizzato in rame. All'interno dello scambiatore bitermico, vi sono due circuiti distinti: uno per l'acqua destinata alla doccia e uno per i termosifoni, che scorrono senza mai mescolarsi.
- Scambiatore a blocchi: è formato da due contenitori per mezzo dei quali viene spostata l’aria calda.
- Scambiatore a piastre: compatto ed efficiente, è costituito da una serie di piastre metalliche affiancate tra cui scorrono i due fluidi. È molto usato nelle caldaie a produzione istantanea di acqua calda.
Funzionamento dello Scambiatore Secondario
Lo scambiatore secondario della caldaia è un componente essenziale nei moderni sistemi di riscaldamento domestico, progettato per trasferire efficacemente il calore tra due fluidi senza che questi entrino in contatto diretto. Il principio di funzionamento è semplice ma ingegnoso: lo scambiatore secondario utilizza il processo di conduzione termica per trasferire il calore dall'acqua del circuito primario (quella riscaldata direttamente dal bruciatore della caldaia) all'acqua fredda sanitaria che proviene dalla rete idrica. All'interno della struttura dello scambiatore, le piastre metalliche sono disposte in modo da creare percorsi alternati per i due fluidi. L'acqua calda del circuito di riscaldamento scorre in un verso, mentre l'acqua sanitaria fredda scorre nel verso opposto.
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Tipologie di Scambiatori a Piastre
Nel mercato attuale della termoidraulica, gli scambiatori a piastre si presentano in diverse configurazioni, ciascuna con caratteristiche specifiche che rispondono a esigenze differenti.
- Scambiatori a piastre saldobrasate: rappresentano la soluzione più diffusa nelle caldaie domestiche. In questi modelli, le piastre in acciaio inox sono unite permanentemente attraverso un processo di brasatura con rame o nichel, creando un blocco monolitico estremamente resistente.
- Scambiatori a piastre intercambiabili: presentano una struttura modulare in cui le piastre sono semplicemente compresse tra due piastre terminali mediante bulloni di serraggio. Questo design offre il vantaggio fondamentale della manutenibilità: le piastre possono essere separate, pulite singolarmente e, se necessario, sostituite.
Manutenzione dello Scambiatore di Calore
La manutenzione dello scambiatore della caldaia deve avvenire di norma almeno una volta l’anno ed essendo un’operazione delicata e complessa è preferibile affidarla a un tecnico professionista. Durante quest’operazione occorre fare molta attenzione a non danneggiare le alette. Esse infatti non vanno piegate o deformate, in quanto si causerebbero malfunzionamenti nel dispositivo. Se si verificano delle perdite nello scambiatore, significa che il componente è danneggiato o che la guarnizione è troppo usurata e va quindi sostituita. Quando invece si accumulano all’interno dello scambiatore troppi sedimenti di calcare, il flusso d’acqua si riduce. Nel caso in cui nessuno dei due interventi risolva la situazione, bisognerà sostituire lo scambiatore.
La pulizia e la manutenzione dello scambiatore di calore sono attività indispensabili per mantenere la sua efficienza. Una manutenzione inadeguata o la sua assenza possono portare a danni dello scambiatore di calore. Il problema più comune è la formazione di calcare e depositi, che si accumulano sulla superficie dello scambiatore. Queste impurità possono causare una riduzione dell’efficienza dello scambiatore di calore. Pertanto, la pulizia regolare è necessaria per garantire un funzionamento corretto ed efficiente. La rimozione di calcare e depositi aiuterà a ripristinare la piena efficienza dello scambiatore di calore e a garantirne la lunga durata.
Frequenza della Pulizia
La frequenza con cui è necessario pulire lo scambiatore di calore dipende dall’intensità d’uso e dalle condizioni di lavoro. Si consiglia di effettuare la pulizia almeno una volta ogni due anni, come minimo indispensabile; tuttavia, la raccomandazione più comune è di una volta all’anno per gli impianti di riscaldamento centralizzato e almeno una volta ogni anno e mezzo per gli impianti di acqua calda sanitaria. Se lo scambiatore di calore è sottoposto a lavoro intenso o se si nota un calo dell’efficienza, potrebbe essere necessario pulirlo più frequentemente rispetto a ogni due anni, specialmente se è in uso già da diversi anni. La pulizia regolare consente di mantenere lo scambiatore di calore in buone condizioni e di garantirne l’efficienza.
Come Pulire lo Scambiatore di Calore
Sì, è possibile pulire lo scambiatore di calore autonomamente, utilizzando il metodo di lavaggio idrodinamico con acqua. L’acqua con l’aggiunta di un anticalcare è un agente efficace per rimuovere lo sporco accumulato, i depositi e le impurità dallo scambiatore di calore. Grazie alla pressione elevata, l’acqua raggiunge anche i punti difficili da pulire, garantendo una pulizia efficace. È utile lasciare lo scambiatore immerso nell’anticalcare, ad esempio per una notte. È tuttavia importante seguire le norme di sicurezza e utilizzare l’equipaggiamento protettivo adeguato durante la pulizia autonoma.
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Per pulire lo scambiatore di calore è necessario un agente adeguato. Un forte getto d’acqua è efficace per rimuovere piccoli depositi e sporco. Tuttavia, in caso di contaminazioni più gravi, quando lo scambiatore è in funzione già da diversi anni, potrebbe essere necessario un trattamento chimico. A questo scopo si utilizzano agenti specifici che dissolvono efficacemente i depositi difficili da rimuovere dallo scambiatore di calore. Si tratta degli stessi agenti anticalcare usati per pulire gli impianti di riscaldamento, e in assenza di altri prodotti è possibile utilizzare anche anticalcari per bollitori. Bisogna essere cauti e risciacquare abbondantemente lo scambiatore a piastre dopo questo tipo di pulizia, soprattutto se è destinato all’acqua calda sanitaria e quindi a contatto con l’acqua potabile.
Pulizia Chimica degli Scambiatori a Piastre
La pulizia chimica delle unità più grandi di scambiatori a piastre è un processo più avanzato che richiede attrezzature specialistiche e competenze. La manutenzione degli scambiatori di calore comprende la pulizia e il risciacquo dello scambiatore. Il primo passo nella pulizia di uno scambiatore a piastre con guarnizioni è lo smontaggio delle piastre (nel caso di uno scambiatore smontabile, non saldato), che vengono poi pulite con prodotti chimici specifici. Successivamente, le piastre vengono rimontate. Per uno scambiatore a tubi, invece, si procede al risciacquo delle tubazioni interne con acqua per rimuovere lo sporco accumulato.
La pulizia dello scambiatore dipende dal tipo di contaminazione e dal tipo di scambiatore. Non tutti gli scambiatori di calore a piastre possono essere puliti allo stesso modo. La pulizia di questi dispositivi varia in base alla loro struttura, in particolare al tipo di collegamento tra le piastre.
- Scambiatori saldati (connessione non smontabile): in questo caso non è possibile smontare lo scambiatore e rimuovere le singole piastre senza danneggiare il dispositivo. Pertanto, l’unico metodo per pulire gli scambiatori a piastre saldati è la pulizia chimica utilizzando agenti per rimuovere calcare e sporco dall’interno. Solitamente, questa pulizia viene effettuata con una soluzione al 5% di acido fosforico o ossalico. Il flusso di risciacquo dovrebbe essere invertito rispetto alla direzione del normale utilizzo dello scambiatore.
Prevenzione della Formazione di Calcare
La prevenzione della formazione di calcare all'interno dello scambiatore, e più in generale in tutto l'impianto, è fondamentale, poiché il calcare rappresenta uno dei depositi più pericolosi per il nostro sistema di riscaldamento. Rappresenta una minaccia per le nostre finanze, riducendo l'efficienza del riscaldamento, danneggiando le apparecchiature e, a volte, causando guasti nei componenti dei sistemi di riscaldamento, incluso lo scambiatore di calore. Se vivi in una zona con acqua dura, considera l'installazione di dispositivi senza manutenzione nel sistema idrico per proteggerlo.
È una buona prassi effettuare la pulizia dello scambiatore di calore durante la manutenzione della caldaia, se viene eseguita periodicamente (e vale la pena farlo, poiché è essenziale per garantire il risparmio nel consumo di combustibile). È utile affidarsi a un tecnico che, se già deve fermare l'impianto per la manutenzione della caldaia, può anche smontare lo scambiatore di calore e pulirlo con un anticalcare. Durante il controllo della caldaia a gas (se presente in casa), il tecnico deve comunque pulire uno scambiatore, ovvero lo scambiatore a piastre interno alla caldaia.
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Cosa Succede Quando lo Scambiatore Non Funziona?
Lo scambiatore è indispensabile tanto per il circuito di riscaldamento della caldaia quanto per il circuito dell’acqua calda sanitaria. Quando non funziona in modo corretto, l’acqua calda non viene portata a temperatura e quindi non viene scaldata: da una parte i termosifoni restano freddi, dall’altra svanisce la possibilità di fare una bella doccia calda. Entrambi i circuiti infatti sono collegati allo scambiatore.
Quando Cambiare lo Scambiatore della Caldaia?
Al di là delle diverse tipologie, lo scambio di calore avviene tramite contatto e questo processo espone lo scambiatore ad accumuli di calcare e alla sua azione corrosiva, motivo per cui è fondamentale la manutenzione della caldaia. L’occhio esperto di un tecnico specializzato permette di intuire quando è giunto il momento di cambiare lo scaldatore. La caldaia va revisionata ogni 2 anni, salvo indicazioni più stringenti del produttore: rispettando questa tempistica, non si incappa nel rischio di avere uno scambiatore ormai usurato e prossimo alla rottura, con ciò che ne consegue in termini di benefici.
Come Vedere se lo Scambiatore è Rotto?
Il segnale di un problema allo scambiatore, come la sua rottura, è data dalla perdita di acqua dalla caldaia, un contrattempo che può essere però legato a diverse cause. Per questo motivo, la supervisione di un tecnico permette di individuare subito il motivo dietro alla perdita. La pulizia dello scambiatore è essenziale per garantire una lunga durata.
Costo dello Scambiatore della Caldaia
Lo scambiatore di una caldaia, assieme alla centralina elettronica, è tra i componenti più costosi. Di conseguenza il prezzo per una sostituzione potrebbe salire a qualche centinaio di euro, considerando che rappresenta il “cuore” del nostro generatore di calore. Sottovalutare e trascurare i segnali di un suo malfunzionamento può portare, con il passare del tempo, ad un blocco della caldaia stessa, con tutti i disagi che ne conseguono. Al contrario, la manutenzione periodica è la risposta alle spiacevoli - e dispendiose - complicazioni.
Scambiatore di Calore a Piastre: Dettagli Tecnici
Lo scambiatore della caldaia, o scambiatore di calore sanitario a piastre, è costituito da diverse piastre in acciaio inox adeguatamente separate tra loro, e racchiuse in un telaio saldobrasato. Ogni piastra viene a contatto da una parte con l'acqua appositamente riscaldata dal generatore, e dall'altra parte con l'acqua fredda sanitaria.
Tipi di Scambiatori a Piastre
- A piastre saldobrasate: garantiscono una migliore resa a parità di superficie di scambio rispetto ai modelli a piastre intercambiabili.
- A piastre intercambiabili: consentono una più facile ispezione e manutenzione.
In via generale, lo scambiatore della caldaia presenta quattro fori, due destinati all'ingresso e due all'uscita, ed è formato da un numero variabile di piastre, a seconda della potenza che vogliamo ottenere - nelle caldaie a gas per uso domestico, ad esempio, tale numero varia tra le 12 e le 14 unità.
Funzionamento dello Scambiatore a Piastre
Il funzionamento di uno scambiatore di calore a piastre segue la sua stessa struttura fisica. Più nello specifico, quando andiamo ad aprire il rubinetto dell'acqua calda, sarà la caldaia mediante il flussostato a determinare in autonomia la richiesta di acqua calda, accendendo contemporaneamente il bruciatore.
Il grande vantaggio di uno scambiatore della caldaia a piastre è che, nonostante sia realizzato con materiali notoriamente costosi, presenta comunque un prezzo concorrenziale grazie alla sua alta efficienza e al ridotto spessore delle piastre. Gli scambiatori di calore a piastre possono lavorare con incroci di temperatura molto spinti e mantenere meno fluidi al loro interno, consentendo così un notevole risparmio in termini di costi di esercizio e minore inerzia termica. Un inconveniente dello scambiatore a piastre sanitario è invece lo sporco che si accumula sulle piastre attraversate dall’acqua calda del circuito primario.
Principi Fondamentali dello Scambio Termico
Secondo le leggi naturali della fisica, l’energia presente in un sistema tende sempre a raggiungere l’equilibrio. Fino a quando esisterà una differenza di temperatura, il calore lascerà il corpo o il liquido caldo per essere trasferito in quello freddo. Uno scambiatore di calore rispetta questo principio di raggiungimento dell’equalizzazione. Con uno scambiatore di calore a piastre, il calore attraversa facilmente la superficie che separa il fluido caldo da quello freddo. Questo permette di riscaldare o raffreddare liquidi o gas con livelli minimi di energia.
Parametri Chiave per la Scelta dello Scambiatore
Per risolvere un problema termico, è necessario conoscere alcuni parametri, mentre altri possono essere calcolati con l'aiuto di questi ultimi, è quindi possibile determinare dati ulteriori. Senza tener conto delle dispersioni di calore nell'atmosfera, che sono trascurabili, il calore perso (potenza) da un lato dello scambiatore di calore a piastre è equivalente al calore acquisito dall'altro lato. La differenza media di temperatura logaritmica (LMTD) è la forza di trasmissione effettiva nello scambiatore di calore.
In alcuni casi, come nelle applicazioni di raffreddamento, il programma termico è molto critico e necessita approcci precisi a seconda delle diverse temperature. Questo è quello che definiamo come elevata lunghezza termica e richiede unità specifiche. Gli scambiatori di calore a piastre sono migliori degli scambiatori a fascio tubiero nella gestione di valori elevati di lunghezza termica. Gli scambiatori di calore a fascio tubiero possono arrivare a valori di theta ~ 1, mentre gli scambiatori di a piastre arrivano anche a valori superiori a 10.
| Caratteristica | Scambiatori di Calore a Piastre | Scambiatori di Calore a Fascio Tubiero |
|---|---|---|
| Lunghezza Termica | Valori superiori a 10 | Valori fino a ~1 |
| Portata | Da 0,05 kg/s a 1400 kg/s | Variabile |
| Efficienza Termica | Maggiore | Minore |
| Compattezza | Maggiore | Minore |
| Manutenzione | Più semplice (per modelli intercambiabili) | Più complessa |
Altri Parametri Importanti
- Portata: Può essere espressa per peso (Kg/s o kg/h) o per volume (m3/h o l/min). La portata massima determina quale tipo di scambiatore è appropriato. Gli scambiatori a piastre Alfa Laval possono essere utilizzati per portate da 0,05 kg/s a 1400kg/s.
- Caduta di pressione (Δρ): Inversamente proporzionale alle dimensioni dello scambiatore. Aumentando la caduta di pressione consentita, lo scambiatore sarà più piccolo e meno costoso.
- Calore specifico (cρ): Quantità di energia necessaria per aumentare di un grado centigrado 1kg di sostanza.
- Viscosità: Misura la facilità di scorrimento di un liquido. Minore è la viscosità, maggiore sarà la facilità di scorrimento.
- Coefficiente di scambio termico complessivo (k): Misura la resistenza del trasferimento di calore, composta dalla quantità di sporcamento, dalla natura dei fluidi e dal tipo di scambiatore utilizzato.
Materiali e Temperature di Lavoro
Nella maggior parte degli scambiatori di calore Alfa Laval per applicazioni acqua/acqua sono utilizzate piastre in acciaio inossidabile AISI 316 di altà qualità. Quando il contenuto di cloruro non impone la necessità di AISI 316, è possibile utilizzare materiale in acciaio inossidabile AISI 304, meno costoso. Sono inoltre disponibili piastre in materiali diversi, per varie applicazioni. Per gli scambiatori di calore a piastre saldobrasate Alfa Laval, è sempre utilizzato acciaio inossidabile AISI 316. La temperatura e la pressione massima che uno scambiatore può raggiungere ne influenzano il costo.
Sporcamento e Margine di Progetto
Lo sporcamento consentito può essere espresso come margine di progetto (M) (cioè, una percentuale aggiuntiva dell'area di scambio termico) oppure come fattore di sporcamento, espresso in m2°C/W o M2h°C/kcal. Il progetto degli scambiatori di calore a piastre implica una turbolenza, e di conseguenza un'efficienza termica, molto maggiore degli scambiatori a fascio tubiero. Un valore Rf tipico utilizzato per gli scambiatori a fascio tubiero è 1 x 10-4m2C/W. Con valori k pari a 2000-2500 W/m2°C, il Margine risulta del 20-25%. (M = Kc x Rf).
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