Quando si hanno due corpi a differenti temperature, la temperatura del corpo più caldo diminuisce, mentre la temperatura di quello più freddo aumenta. La progressiva riduzione della differenza di temperatura deve essere ricondotta a uno scambio di energia, scambio che persiste finché esiste la differenza di temperatura, ovvero quando si raggiunge l’equilibrio termico.
Uno scambiatore di calore è un apparato progettato per trasferire energia termica da un fluido ad un altro fluido senza che i due fluidi si mescolino fra loro, in conseguenza di una differenza di temperatura.
Quando il trasferimento di energia avviene solo a causa di una differenza di temperatura e non viene fatto nessun lavoro dalla oppure sulla sostanza, esso è trattato da una scienza che prende il nome di trasmissione del calore. La trasmissione del calore è in sostanza energia che viene trasmessa in conseguenza di una differenza (gradiente) di temperatura ∆T. Questo trasferimento di energia viene espresso come quantità di calore q trasmessa nell’unità di tempo t; è un flusso di calore e prende il nome di flusso termico Q = q/t e si misura in W, dal momento che 1 J/s equivale ad 1 W; Q è perciò una potenza termica.
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.
Modalità di Trasferimento del Calore
Sappiamo che vi sono tre modi per realizzare questo trasferimento:
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- Conduzione
- Convezione
- Irraggiamento
• Irraggiamento: tutte le superfici che si trovano ad una data temperatura emettono energia sotto forma di onde elettromagnetiche.
Convezione: quando un fluido è mischiato ad un altro. 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.
Parametri Fondamentali
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.
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.
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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.
Ogni parametro dell'equazione può influire sulla scelta dello scambiatore di calore. 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.
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.
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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).
Tipi di Scambiatori di Calore
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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