Lo scambiatore di calore a piastre è un dispositivo che consente un’efficace scambio di calore tra due sostanze a temperature diverse. È particolarmente utile nei sistemi di riscaldamento centralizzato, dove il calore viene trasferito dai radiatori all’aria nella stanza. Grazie a uno scambiatore di calore, è possibile raggiungere una temperatura ottimale in ogni ambiente, talvolta riducendo persino il consumo di energia, il che si traduce in risparmi.
Cos'è uno Scambiatore di Calore a Piastre?
Si tratta di un dispositivo rettangolare che internamente si compone di tante piastre di metallo sovrapposte, nelle cui intercapedini vuote scorre il liquido. 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.
Tipologie di Scambiatori a Piastre
In commercio possiamo trovare due diverse tipologie di scambiatori a piastre: a piastre saldobrasate e a piastre intercambiabili. I modelli saldobrasati garantiscono una migliore resa a parità di superficie di scambio rispetto ai modelli a piastre intercambiabili, che invece consentono una più facile ispezione e manutenzione.
Struttura e Componenti
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.
Come Funziona uno Scambiatore di Calore a Piastre?
Il funzionamento di uno scambiatore di calore a piastre segue la sua stessa struttura fisica. Struttura che, come detto, si compone di quattro fori: due per l’ingresso e l’uscita dell’acqua calda riscaldata dal bruciatore (nota come acqua del circuito primario) e due per l’ingresso dell'acqua fredda sanitaria e l’uscita dell’acqua calda sanitaria, che fuoriesce dai rubinetti. 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.
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Il flusso di energia in uno scambiatore di calore si basa sulle leggi della fisica. La principale legge su cui si basa il funzionamento di ogni scambiatore di calore è che il calore scorre sempre dal mezzo più caldo a quello più freddo. In realtà, il loro funzionamento è estremamente semplice: il fluido, cioè il liquido o il gas a temperatura più alta, trasferisce il proprio calore al fluido a temperatura più bassa. Questo processo mira ad equilibrare le temperature e mantenere una temperatura stabile nel sistema di scambio termico. Il trasferimento di calore in qualsiasi scambiatore avviene attraverso il passaggio di energia interna da un materiale all'altro per conduzione.
Lo scambiatore di calore a piastre è un dispositivo che permette un’efficace scambio di calore tra fluidi a temperature diverse. Il funzionamento di questo dispositivo si basa su processi di convezione e conduzione del calore. È composto da una serie di piastre sottili, ciascuna delle quali presenta una struttura appositamente progettata. Le pareti di queste piastre sono brasate (con l’uso di saldature in rame ad alta conducibilità termica) o imbullonate insieme, creando canali attraverso cui scorrono i fluidi. Lo scambiatore a piastre è realizzato in acciaio inossidabile di alta qualità 316L, che garantisce durata e resistenza alla corrosione. Il principio di funzionamento dello scambiatore a piastre si basa sul passaggio di un fluido attraverso i canaletti interni delle piastre dello scambiatore, mentre l’altro fluido scorre sull'altro lato delle piastre. In questo modo si verifica il trasferimento di calore tra i fluidi, consentendo il riscaldamento o il raffreddamento del mezzo nel sistema. Lo scambiatore a piastre è una soluzione efficiente, poiché ha una grande superficie di scambio termico rispetto al suo volume. Questo consente di ottenere significativi risparmi energetici.
Inoltre, lo scambiatore di calore a piastre permette di migliorare l’efficienza del sistema di riscaldamento e raffreddamento, ottimizzando il processo di scambio di calore. È importante notare che la struttura a piastre consente di adattare facilmente lo scambiatore alle esigenze specifiche dell’utente, come il flusso dei fluidi o i parametri termici. Grazie a ciò, gli scambiatori di calore a piastre sono una soluzione versatile, utilizzata in vari settori industriali, come quello chimico, alimentare o energetico. Inoltre, gli scambiatori a piastre possono essere utilizzati con successo sia in impianti di riscaldamento che di raffreddamento. Le conclusioni derivate da studi ed esperienze indicano che gli scambiatori di calore a piastre sono un metodo efficace per ottimizzare i processi energetici basati sullo scambio termico.
Il funzionamento di uno scambiatore di calore piastre si basa su un dispositivo tecnologico estremamente compatto, di facile utilizzo e manutenzione che si contraddistingue soprattutto per la sua estensibilità. I fluidi vengono suddivisi in più flussi paralleli, senza entrare mai in contatto tra di loro, realizzando così una controcorrente perfetta. Il vantaggio principale di questo tipo di scambiatori sta nella possibilità di riscaldare o raffreddare liquidi o gas con livelli minimi di energia.
Vantaggi e Svantaggi
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.
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Selezione e Dimensionamento
La prima e più importante informazione è che il corretto funzionamento dello scambiatore in un impianto inizia con una selezione adeguata del dispositivo. La scelta dello scambiatore dovrebbe essere effettuata da persone con esperienza; tuttavia, non tutte le persone che hanno installato uno scambiatore o che lavorano nel settore idraulico possono essere considerate esperte nella selezione di questo tipo di apparecchi. È necessario scegliere il modello adeguato, tenendo conto del parametro più importante dello scambiatore, ossia la superficie di scambio termico, e non solo della potenza nominale (kW). Un dispositivo selezionato correttamente deve essere sovradimensionato in modo appropriato. In caso di sottodimensionamento dello scambiatore, anche un collegamento e un uso corretto non garantiranno il risultato atteso.
Il dimensionamento corretto di uno scambiatore a piastre è fondamentale per garantire l'efficienza del sistema. Determinare il carico termico totale che lo scambiatore dovrà gestire e calcolare la portata dei fluidi in litri al minuto (LPM).
Informazioni sulla Targhetta
La targhetta contiene il nome del modello, che per gli scambiatori di calore a piastre tradizionali di Nordic Tec inizia con le lettere "Ba" (ad esempio, Ba-32-20). Il numero centrale indica la superficie di una singola piastra (per Ba-32-20 è 0,032 m²). Di seguito sono riportati i valori limite, come la pressione di esercizio e altri parametri simili. A questo punto è necessario verificare che il sistema in cui verrà installato lo scambiatore di calore non superi i parametri consentiti. Non preoccuparti: in generale, questo non riguarda gli impianti di riscaldamento domestici, poiché questi non richiedono elevate esigenze in termini di pressione e utilizzano i mezzi più semplici, come l'acqua o, meno frequentemente, una miscela di acqua e glicole (consentita). La pressione in un impianto di riscaldamento domestico raramente supera pochi bar, quindi non ci sono problemi, dato che gli scambiatori di calore di solito hanno una pressione di esercizio compresa tra 10 e 30 bar.
Installazione dello Scambiatore di Calore
Lo scambiatore di calore presenta giunzioni saldobrasate in rame e subisce sempre un processo di brasatura. Questo significa che, in alcuni casi (ad esempio sulla piastra superiore), possono rimanere tracce di rame che possono sembrare corrosione. È importante ricordare che non si tratta di corrosione, ma di residui di rame che non influiscono in alcun modo sull'efficienza del dispositivo né causano danni futuri.
Collegamento in Controcorrente
L'etichetta dei dati presenta delle frecce che suggeriscono un collegamento in controcorrente. Lo scambiatore di calore a piastre Nordic Tec è effettivamente un dispositivo a flusso in controcorrente, il che significa che raggiunge la sua massima efficienza solo quando i fluidi al suo interno scorrono in direzioni opposte (come indicato dalle frecce sull'etichetta). Se i principi della controcorrente non vengono rispettati, lo scambiatore di calore non funzionerà correttamente, rendendo inefficiente l’intero sistema.
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IMPORTANTE - Se collegare secondo le frecce rappresenta un problema, è necessario invertire lo scambiatore di calore e collegarlo nella direzione opposta. In questo caso si cambia la direzione del flusso, ma per mantenere la controcorrente è necessario farlo in entrambi i canali.
Uno dei canali è destinato al lato riscaldante, che solitamente rappresenta il circuito del dispositivo di riscaldamento, come una caldaia, un camino, una pompa di calore o un pannello solare. L'altro canale è invece destinato al circuito che riceve il calore. Nel caso del marchio Nordic Tec, non è importante quale canale venga scelto per ciascun circuito.
Raccomandazioni per l'Installazione
In pratica, è fondamentale collegare lo scambiatore secondo le regole tecniche e le raccomandazioni del produttore. Uno scambiatore di calore non deve essere esposto a variazioni eccessive di pressione e temperatura. Inoltre, deve essere protetto dalle vibrazioni e fissato saldamente alla parete. Si consiglia di utilizzare staffe a muro specifiche, ma è possibile utilizzare anche altre soluzioni, purché garantiscano stabilità e protezione dalle vibrazioni.
Lo scambiatore di calore deve essere installato in posizione verticale (cioè in piedi). L'installazione dello scambiatore in un'altra posizione, come orizzontale, non garantisce una corretta sfiatatura del dispositivo e può portare a ostruzioni o a un cattivo trasferimento di calore se le bolle d'aria non riescono a fuoriuscire. In generale, uno scambiatore collegato orizzontalmente non funzionerà correttamente (in un impianto di riscaldamento standard). L'ostruzione dello scambiatore può persino causare perdite, determinando un danno irreversibile.
Preparazione dell'area di lavoro: Assicurarsi che l'area sia pulita e ben illuminata. Collegamento dei tubi: Collegare i tubi di ingresso e uscita del fluido freddo e caldo. Verifica delle connessioni: Controllare tutte le connessioni per assicurarsi che non ci siano perdite.
Filtri e Valvole
Il produttore raccomanda assolutamente l'uso di filtri, anche se non specifica il tipo di filtro. I filtri devono essere installati su entrambi i lati dello scambiatore, indipendentemente dal fatto che siano presenti anche in altre parti dell'impianto. Nella maggior parte dei nuovi impianti è sufficiente un semplice filtro a rete, ma la scelta del filtro e la responsabilità sono a carico della persona che ha effettuato l'ispezione dell'impianto e ha valutato, con competenza, i rischi potenziali.
In alcuni casi (soprattutto in impianti vecchi e potenzialmente contaminati) potrebbe essere utile pensare a un filtro magnetico o a un separatore accanto ai filtri tradizionali. Questo è molto importante, poiché eventuali ostruzioni nello scambiatore dovute a impurità dell'impianto non costituiscono motivo di garanzia e potrebbero interrompere o ridurre notevolmente lo scambio termico. I filtri devono essere posizionati davanti allo scambiatore già prima dell'avviamento di prova del sistema, e non solo successivamente. Il primo avvio delle pompe può causare ostruzioni con maggiore probabilità rispetto al funzionamento continuativo.
Lo scambiatore può funzionare anche senza valvole a sfera installate, ma è consigliabile posizionarle su entrambi i lati dello scambiatore, così da poter chiudere e interrompere il flusso d'acqua, permettendo la rimozione del dispositivo dall'impianto senza dover scaricare l'intero sistema. Questo è utile, ad esempio, per la pulizia periodica dello scambiatore o in caso di guasti o perdite. Gli scambiatori a piastre sono progettati per durare anche 10-15 anni, quindi è sempre consigliabile prevedere valvole d’arresto.
Anche i termometri non sono indispensabili, ma la loro presenza su entrambi i lati permette di valutare l'efficienza dello scambio termico, monitorando la perdita di calore. Se la perdita aumenta, si ha un’indicazione sulla necessità di pulizia o sostituzione del dispositivo. È utile pensare a valvole a sfera con termometri integrati, create per risparmiare spazio, utilizzate anche per altri dispositivi come i collettori per riscaldamento a pavimento.
L'isolamento termico per scambaitori è consigliato, ma se l’obiettivo è ridurre i costi dell'installazione, lo scambiatore funzionerà comunque correttamente anche senza isolamento (purché sia scelto e installato correttamente).
Si consiglia di installare uno sfiato nelle vicinanze dello scambiatore, posizionato naturalmente più in alto rispetto al dispositivo.
Manutenzione e Durata
Gli scambiatori di calore Nordic Tec sono dispositivi longevi, ma per garantirne la durata è essenziale una corretta selezione, installazione e utilizzo.
- Evitare la contaminazione dell'impianto e dello scambiatore in generale.
- Non superare la pressione di esercizio e le temperature massime consentite.
- Evitare brusche variazioni di pressione e temperatura.
- Effettuare la pulizia periodica dello scambiatore: negli impianti di riscaldamento, dovrebbe essere pulito una volta all'anno; negli impianti di acqua calda sanitaria (ACS), ogni 18 mesi.
Applicazioni degli Scambiatori di Calore a Piastre
Gli scambiatori di calore a piastre sono spesso utilizzati per collegare le caldaie a gas all'impianto di riscaldamento centralizzato. Sono particolarmente diffusi nelle caldaie a condensazione, il cui funzionamento si basa sull'uso della condensa prodotta durante la combustione del gas. Gli scambiatori di calore a piastre sono ideali per tutti gli edifici dotati di caldaia a combustibile solido, come carbone, pellet o legna. Grazie alla loro struttura, garantiscono uno scambio termico efficiente generato dalla combustione di combustibili solidi, assicurando sicurezza dell’impianto e risparmio energetico.
Nel caso delle pompe di calore, gli scambiatori di calore vengono utilizzati per suddividere il sistema idraulico in due circuiti (uno a glicole e uno ad acqua), evitando così l’uso di glicole (che protegge l’impianto dal congelamento) nell’intero impianto. Questo tipo di configurazione consente una significativa riduzione dei costi. In teoria, è possibile anche separare il circuito della pompa di calore riempito ad acqua, ma in pratica è una soluzione meno comune. Tuttavia, questo dispositivo non si limita a evitare la commistione tra i fluidi dei due circuiti: separa il sistema in due sottounità, migliorando l’equilibrio idraulico in termini di pressione e temperatura e creando un ambiente ottimale per le pompe di circolazione. In breve, tale configurazione rende l’impianto più efficiente.
È importante sottolineare che un impianto con pompa di calore richiede uno scambiatore di calore a piastre di dimensioni maggiori rispetto a quello necessario per una caldaia tradizionale. Le maggiori dimensioni dello scambiatore aumentano l’efficienza dello scambio termico, consentendo il trasferimento di una maggiore quantità di energia termica tra i fluidi. In questo modo, la pompa di calore può sfruttare efficacemente fonti di energia rinnovabile, come l’energia geotermica, per garantire il riscaldamento o il raffreddamento degli ambienti.
Gli scambiatori di calore a piastre sono una soluzione ideale per i camini che funzionano in un sistema aperto. Permettono di sfruttare efficacemente il calore generato dal camino per riscaldare, ad esempio, gli ambienti o l’acqua sanitaria. Gli scambiatori di calore a piastre sono indispensabili per separare la caldaia elettrica dall’impianto. Consentono un trasferimento preciso di energia termica all’acqua. Questi scambiatori sono costituiti da piastre realizzate con materiali di alta qualità che facilitano un efficiente trasporto del calore.
Gli scambiatori di calore a piastre sono estremamente utili anche nella produzione di birra domestica, specialmente durante il raffreddamento del mosto. Più grande è lo scambiatore, più breve sarà il processo di raffreddamento, poiché una superficie di scambio termico maggiore permette un più rapido trasferimento di energia.
Scambiatori di Calore a Piastre Saldobrasati e Guarnizionati
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.
Parametri Chiave per la Scelta
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.
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.
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.
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. 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).
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.