Coloro che desiderano familiarizzare maggiormente con il funzionamento degli scambiatori a piastre, troveranno qui di seguito in maniera molto elementare i 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.
Tipologie di Scambiatori di Calore a Piastre
Esistono molti tipi di scambiatori di calore a piastre, con design diversi destinati a servire al meglio diversi tipi di applicazioni e condizioni di processo specifiche.
Gli scambiatori di calore a piastre sono utilizzati in un'ampia gamma di funzioni, in quasi tutti i settori immaginabili, in tutto il mondo.
- Gli scambiatori di calore a piastre saldobrasati (BPHE - Brazed Plate Heat Exchanger) offrono numerosi vantaggi.
- In uno scambiatore di calore a piastre guarnizionate (GPHE - Gasketed Plate Heat Exchanger), le piastre sono dotate di guarnizioni elastomeriche che sigillano i canali e dirigono il materiale in canali alternati.
Il pacco piastre è contenuto all'interno di un telaio costituito da una piastra fissa ed una piastra di pressione mobile.
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Il catalogo online di Alfa Laval è uno strumento di facile utilizzo che consente di identificare la soluzione migliore per la propria applicazione. La selezione di modelli della linea Fast Track proviene dalla linea Industriale. Questo assortimento preconfigurato comprende configurazioni adatte alla maggior parte delle applicazioni.
Principi Fondamentali dello Scambio Termico
È essenziale, però, fare una precisazione: la convezione può essere di tue tipi, naturale o forzata. Naturale, quando la differenza di densità tra due fluidi fa si che si generi movimento e le differenze di temperatura sono equilibrate. Convezione: quando un fluido è mischiato ad un altro.
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.
Parametri Chiave per il Calcolo
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. Ogni parametro dell'equazione può influire sulla scelta dello scambiatore di calore.
- La differenza media di temperatura logaritmica (LMTD) è la forza di trasmissione effettiva nello scambiatore di calore.
- La portata massima generalmente determina quale tipo di scambiatore di calore sia appropriato per uno scopo specifico. Gli scambiatori di calore a piastre Alfa Laval possono essere utilizzati per portate da 0,05 kg/s a 1400kg/s. In termini di volume, ciò equivale a 0,18 m3/h - 5000 m3/h in un'applicazione per acqua.
- La caduta di pressione (Δρ) è inversamente proporzionale alle dimensioni dello scambiatore di calore a piastre. Se è possibile aumentare la caduta di pressione consentita e accettare costi di pompaggio maggiori, lo scambiatore di calore sarà di dimensioni inferiori e meno costoso.
- Il calore specifico (cρ) è la quantità di energia necessaria per aumentare di un grado centigrado 1kg di sostanza.
- La viscosità misura la facilità di scorrimento di un liquido. Minore è la viscosità, maggiore sarà la facilità di scorrimento.
- Il 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.
Considerazioni sul Design
In uno scambiatore di calore a piastre, è possibile usufruire dei vantaggi derivanti da piccole differenze di temperatura e spessore delle piastre compreso tra 0,3 e 0,6mm. I valori alfa sono prodotti dalle turbolenza molto elevata e il fattore di sporcamento è generalmente molto ridotto.
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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 he uno scambiatore può raggiungere ne influenzano il costo. 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).
Nello scambiatore di calore a fascio tubiero, il margine è generalmente aggiunto aumentando la lunghezza dei tubi, mantenendo lo stesso flusso in ogni tubo. In uno scambiatore di calore a piastre, il margine è aumentato aggiungendo canali paralleli, cioè diminuendo il flusso per canale e ottenendo così un rapporto turbolenza/efficienza minore, aumentando il rischio di sporcamento.
Ottimizzazione e Fluidodinamica Numerica (CFD)
Questo lavoro fa uso di approcci numerici per la progettazione di uno scambiatore di calore ottimizzato mediante l'applicazione di appendici aerodinamiche, in grado di migliorare notevolmente l'efficienza dello stesso.
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Gli scambiatori di calore sono apparecchiature utilizzate in numerosi processi industriali, al fine di trasferire calore tra uno o più fluidi operativi, con lo scopo di ottenere un recupero energetico. L'entità di tale recupero dipende dall'efficienza dello scambiatore, a sua volta funzione delle caratteristiche geometriche e delle condizioni operative di impiego del dispositivo.
La ricerca di prestazioni sempre più elevate spinge la ricerca verso l'individuazione di geometrie ottimizzate, anche mediante l'adozione di appendici quali turbolatori o generatori di vortici che favoriscano l'incremento dello scambio termico. Queste appendici vengono solitamente installate sulle superfici degli elementi scambianti per aumentare significativamente la turbolenza del flusso, favorendo la transizione dal regime laminare a quello turbolento anche a bassi numeri di Reynolds e, di conseguenza, l'effetto di mescolamento.
L'aumento di turbolenza è però sempre accompagnato da un incremento delle perdite di carico e quindi della potenza richiesta per la circolazione dei fluidi operativi. L'ottimizzazione di uno scambiatore di calore deve quindi essere orientata all'ottenimento del maggior scambio termico possibile col minor incremento delle perdite di carico, in considerazione anche delle esigenze legate alla fattibilità costruttiva del dispositivo.
Il presente articolo è incentrato su uno studio fluidodinamico basato su tecniche di Computational Fluid Dynamics (CFD), avente lo scopo di incrementare le prestazioni di uno scambiatore di calore fumi-aria a piastre lisce, tramite l'utilizzo di appendici aerodinamiche. La prima parte del lavoro è dedicata al confronto di differenti geometrie di turbolatori e generatori di vortici mediante l'esecuzione di simulazioni numeriche semplificate, al fine di individuare la configurazione che permetta di ottimizzare le prestazioni rispetto alla piastra liscia. La seconda parte riporta un confronto fra la piastra liscia e le migliori configurazioni precedentemente individuate, basato sulla simulazione CFD di uno scenario numerico rappresentativo del funzionamento dell'intero scambiatore.
Lo studio è stato eseguito con riferimento a uno scambiatore a piastre a flussi incrociati, il cui elemento base è costituito da una coppia di vani a sezione rettangolare, con rapporto di aspetto elevato (circa pari a 40), separati da una piastra metallica. All'interno dei condotti scorrono rispettivamente i fumi di scarico di un processo industriale e l'aria da preriscaldare diretta al bruciatore.
A partire da una configurazione di riferimento caratterizzata da pareti lisce, sono state valutate e confrontate le prestazioni raggiungibili mediante l'applicazione di diverse appendici per l'incremento dello scambio termico, attraverso la modellazione e la simulazione CFD di una porzione del vano di passaggio dei fumi.
Per tutti i casi, il dominio di calcolo è stato discretizzato con griglie interamente strutturate e nel rispetto di parametri dimensionali derivanti da un accurato studio di sensibilità della soluzione. Le simulazioni sono state effettuate tramite l'utilizzo dei metodi ai volumi finiti offerti dal software Ansys Fluent. Le equazioni risolte sono quelle RANS, associate al modello di chiusura k-?, dimostratosi più efficacie nella modellazione degli effetti della turbolenza. Il fumo è stato modellato come gas ideale, con proprietà termodinamiche variabili in funzione della temperatura.
Confronto tra Tipologie di Turbolatori
Il confronto fra le prestazioni dei diversi turbolatori è riassunto nella seguente tabella.
| Tipo di Turbolatore | Diminuzione di Temperatura | Aumento dell'Efficienza Termica | Perdite di Carico |
|---|---|---|---|
| H | Massima | 14% | Circa 25 volte superiori rispetto alla geometria di riferimento |
| L | Compromesso | 13.4% (0.6% minore rispetto a H) | Circa 10 volte quelle del caso di riferimento |
| W | Aumento della temperatura di uscita | Diminuzione dell'efficienza termica | 15 volte maggiori |
Rispetto al canale con parete liscia, l'introduzione del turbolatore di tipo H ha prodotto la massima diminuzione di temperatura, con un aumento dell'efficienza termica del 14%, accompagnata però da un notevole incremento delle perdite di carico che sono risultate circa 25 volte superiori rispetto alla geometria di riferimento.
Il turbolatore di tipo L rappresenta, fra le configurazioni analizzate, il miglior compromesso fra riduzione della temperatura dei fumi in uscita (efficienza termica 13.4% maggiore rispetta al canale a pareti lisce e solo 0.6% minore rispetto alla geometria con turbolatori ad H) e contenimento delle perdite di carico (circa 10 volte quelle del caso di riferimento).
Il turbolatore di tipo W, contrariamente ai precedenti, ha prodotto un aumento della temperatura di uscita dei fumi (e quindi una diminuzione dell'efficienza termica) rispetto al caso di riferimento, con elevate perdite di carico (15 volte maggiori).
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.
Può essere espressa in due modi diversi: per peso o per volume. Le unità di flusso per peso sono in Kg/s o kg/h le unità di flusso per volume sono in m3/h o l/min.
Una stretta collaborazione con i consulenti ed i clienti è essenziale per la realizzazione di un impianto.