Scambiatore di calore a serpentina: funzionamento e applicazioni

In un impianto solare termico a circuito chiuso, il cuore invisibile ma strategico del sistema è lo scambiatore di calore. Questo componente ha l’obiettivo cruciale di trasferire in modo efficiente l’energia solare, raccolta dal collettore, all’acqua destinata agli usi sanitari o all’accumulo termico.

Il principio fisico che regola questo scambio è semplice, ma la sua applicazione richiede attenzione: il calore fluisce naturalmente da un corpo più caldo a uno più freddo, e la quantità di calore scambiata è direttamente proporzionale alla differenza di temperatura, alla superficie di scambio e alla conduttività termica dei materiali che separano i fluidi.

A seconda della taglia dell’impianto, del tipo di accumulo termico e della configurazione idraulica, si possono adottare differenti tipologie di scambiatori, tra cui quelli a serpentina immersa, a fascio tubiero (shell and tube) e a piastre. Va detto però che ogni tecnologia presenta vantaggi e limiti che devono essere valutati in relazione al contesto applicativo.

Tipologie di scambiatori di calore

Per comprendere quale sia lo scambiatore di calore più adatto a una determinata configurazione impiantistica, bisogna conoscerne le caratteristiche funzionali:

Scambiatore a serpentina

È composto da un tubo immerso direttamente nel serbatoio di accumulo, attraverso il quale passa il fluido termovettore. La trasmissione del calore avviene per contatto con l’acqua circostante. È una tecnologia semplice, compatta, economica e adatta all’uso domestico. Tuttavia, la sua efficienza può risultare inferiore rispetto ad altri sistemi, specialmente quando la superficie di scambio è limitata o la portata è elevata.

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Scambiatore a fascio tubiero (shell and tube)

È esterno al serbatoio, e i due fluidi scorrono in controcorrente attraverso tubi separati ma vicinissimi, che massimizzano il trasferimento di calore. Questo tipo di scambiatore consente un ottimo controllo delle portate, è modulabile in funzione delle esigenze impiantistiche, ed è facilmente manutenibile, dato che si può smontare o pulire senza svuotare l’accumulo.

Scambiatore a piastre

Formato da una serie di piastre metalliche ondulate, molto sottili, sovrapposte e isolate, attraverso le quali scorrono in controcorrente i fluidi da scambiare. Questo sistema garantisce un’elevata superficie di scambio in uno spazio ridottissimo, e consente un’efficienza termica altissima, anche con salti termici contenuti. Tuttavia, è particolarmente sensibile allo sporcamento e all’intasamento, quindi richiede una filtrazione attenta del fluido termovettore e manutenzioni più frequenti.

Scambiatore tubo in tubo

Meno comune, ma comunque valido, si basa sul principio di due tubi concentrici in cui scorrono i fluidi in direzione opposta.

Per esempio, lo scambiatore a serpentina ha un’efficienza che può diminuire col tempo a causa delle incrostazioni, mentre quello a fascio tubiero è più facile da ispezionare e manutenere, pur richiedendo spazi esterni aggiuntivi.

Nel caso in cui non si possa trattare l'acqua, o che il fluido sia particolarmente sporco è consigliabile usare lo scambiatore a serpentina poiché con passaggi più ampi permette allo sporco di non intasare totalmente il tubo, o nel caso il tubo sia ustruito di avere la certezza di ristabilire il flusso iniziale a differenza degli scambiatori a fascio tubiero (infatti in questo caso si potrebbero pulire una parte dei tubi senza averne la sicurezza).

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Dimensionamento e posizionamento

Un aspetto spesso sottovalutato ma cruciale è il dimensionamento corretto dello scambiatore di calore. Anche il miglior dispositivo sul mercato diventa inefficace se non è dimensionato in base alle reali esigenze dell’impianto. In particolare, una regola empirica utile per impianti solari residenziali prevede l’uso di 1 metro quadrato di tubo per ogni 14 metri quadrati di collettore solare.

Nel caso di scambiatori a serpentina, è importante anche valutare la posizione della bobina all’interno del serbatoio: una collocazione troppo in basso può rallentare lo scambio, mentre una troppo alta può lasciare inutilizzato il volume sottostante. Un impianto ben progettato prevede quindi un equilibrio dinamico tra superficie di scambio, salto termico, velocità del flusso e caratteristiche termofisiche del fluido.

Fluido termovettore

Altro elemento fondamentale nel funzionamento efficiente di un sistema solare termico è la scelta del fluido termovettore. L’acqua potabile, per quanto eccellente sotto molti aspetti, presenta due criticità importanti: il rischio di congelamento in inverno e la formazione di calcare alle alte temperature. Nella progettazione dell’impianto, va però considerato che l’aggiunta di glicole al fluido ne modifica la densità e il calore specifico, e quindi influisce anche sul dimensionamento dello scambiatore. Va anche verificata la compatibilità chimica del fluido con i materiali dello scambiatore: rame, acciaio inox o materiali plastici possono reagire in modo diverso.

Puffer e bollitore: quale differenza?

Una delle questioni più comuni, ma spesso confuse, riguarda la differenza tra puffer e bollitore. Il puffer è un accumulatore di acqua tecnica, cioè non destinata al consumo umano, ma utilizzata come massa termica per stoccare energia e alimentare vari dispositivi o scambiatori. L’acqua contenuta è riscaldata da caldaie, pompe di calore o impianti solari, e può servire a riscaldare ambienti o altri circuiti idraulici.

Il bollitore, invece, contiene acqua calda sanitaria, quindi “a perdere”. In questo caso lo scambiatore - tipicamente una serpentina - è collocato all’interno del serbatoio, e serve a trasferire il calore dal fluido termovettore all’acqua da utilizzare. La sua funzione è garantire acqua calda pronta all’uso, ma richiede particolare attenzione per evitare proliferazioni batteriche (come la legionella), che si sviluppano a temperature comprese tra 25°C e 50°C.

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In alcuni impianti moderni esistono accumulatori combinati, che fungono sia da puffer che da bollitore, dotati di scambiatori separati e sistemi di stratificazione termica interna.

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.

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 per la risoluzione di problemi termici

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.

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. 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 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.

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. Una stretta collaborazione con i consulenti ed i clienti è essenziale per la realizzazione di un impianto.

Classificazione degli scambiatori di calore in base all'interazione tra i fluidi

• Contatto diretto: le correnti fluide sono in comunicazione diretta, con scambio di calore e materia. Esempi: torre evaporativa.
• Scambiatore a miscela: il trasferimento termico avviene attraverso la mescolanza diretta dei fluidi. Esempio: degasatore termico.
• Contatto indiretto: i fluidi sono fisicamente separati. Il trasferimento di calore avviene attraverso una superficie di separazione.
• Scambiatore a superficie: il trasferimento termico si realizza tramite le pareti conduttive che separano i fluidi. È la tipologia più diffusa.
• Irraggiamento diretto: il calore è ceduto tramite radiazione termica. Esempi: termosifone, stufa elettrica.

Scambiatori a superficie in base al modello

• Scambiatori tubolari:
  • Scambiatore a doppio tubo (o "a tubi concentrici"): i fluidi si muovono in condotti cilindrici sovrapposti.
  • Scambiatore a fascio tubiero e mantello: un fluido transita all’interno di una batteria di tubi, mentre l’altro fluisce all’esterno.
  • Scambiatore a superficie raschiata: all’interno dei tubi sono presenti elementi rotanti che rimuovono meccanicamente i depositi.
• Scambiatore ad immersione:
  • Serpentina per applicazioni di riscaldamento o raffreddamento di fluidi.
• Scambiatore a piatti e superfici estese:
  • Scambiatore a piastre: i fluidi scorrono su lati opposti di una lamiera all’interno di camere alternate e isolate.
  • Scambiatore a spirale: entrambi i fluidi percorrono i lati opposti di una singola lamiera liscia, all’interno di canali lunghi e avvolti a spirale.
  • Scambiatore a blocchi in grafite o in materiali alternativi: le correnti passano attraverso canali di forma cilindrica.
• Scambiatori a superficie estesa:
  • Tubo alettato.
  • Scambiatore aerorefrigerante: il fluido da raffreddare è convogliato all’interno di tubazioni che vengono attraversate da un flusso d’aria generato da un ventilatore.
  • Scambiatore a pacco alettato: un fluido circola all’interno di tubi, mentre l’altro, in fase gassosa, attraversa esternamente il pacco alettato.
  • Scambiatore a microcanali: un fluido scorre all’interno di piattine cave, dotate di microcanali a sezione quadrata; il fluido gassoso fluisce invece all’esterno, attraverso il pacco alettato.
  • Scambiatore a lamella: si compone di lamiere grecate saldate tra loro, che costituiscono l’area di scambio termico.
  • Scambiatore rigenerativo: le correnti vengono alternate nella stessa camera riempita con mattoni refrattari oppure passano attraverso unità rotanti in lamierino sottile.

Applicazioni civili e industriali

Gli scambiatori di calore trovano impiego in diversi ambiti:

• Ambito civile:
  • Impianti di teleriscaldamento.
  • Sistemi di climatizzazione e condizionamento di ambienti o veicoli.
• Ambito industriale:
  • Regolazione termica di correnti fluide.
  • Transizioni di fase come condensazione, evaporazione e cristallizzazione.
  • Processi di sterilizzazione.
  • Trattamenti termici come la pastorizzazione.

Normative e standard di settore

Gli scambiatori di calore devono rispettare diverse normative e standard di settore, come la Direttiva Europea 2014/68/UE (PED) che regola la progettazione e la costruzione di apparecchiature a pressione. Inoltre, gli standard ISO 9001 e ISO 14001 sono spesso adottati dai produttori per garantire qualità e sostenibilità nei processi produttivi.

Innovazioni nel settore

Negli ultimi anni, il settore degli scambiatori di calore ha visto l’emergere di nuove tecnologie, come l’uso di materiali compositi leggeri e resistenti al calore, che migliorano l’efficienza e riducono i costi di produzione. Inoltre, l’integrazione di sistemi di monitoraggio IoT consente una gestione più efficiente e predittiva delle prestazioni degli scambiatori.

Tipi di scambiatori di calore

I tipi di scambiatore di calore sono diversi. Come detto, i più diffusi sono gli scambiatori di calore a tubi: due tubi coassiali, inseriti l’uno nell’altro, generano lo scambio termico tra due fluidi. Gli scambiatori a tubi e mantello (shell and tube) ne sono una sorta di evoluzione: il primo fluido scorre in un fascio di tubi “normali”, il secondo in un mantello. Per i fluidi corrosivi o sporchi vengono si impiegano in genere gli scambiatori di calore a serpentina, mentre un’altra tipologia piuttosto diffusa è lo scambiatore a piastre, che consente di riscaldare o raffreddare liquidi oppure gas con livelli d’energia molto bassi.

Scambiatori di calore a piastre

Lo scopo di uno scambiatore di calore a piastre è quello di trasferire energia termica tra due fluidi, senza che i fluidi si mescolino tra loro. Ad esempio, in un edificio, possono trasferire il calore da un circuito primario collegato a una caldaia a un circuito secondario separato, magari una rete di teleriscaldamento. Nella produzione, possono essere utilizzati per raffreddare l'olio usando l'acqua, senza mescolare insieme i due liquidi.

A comporre uno scambiatore di calore a piastre sono diverse piastre in acciaio inox, separate l’una dalle altre o racchiuse in un telaio saldobrasato. Le piastre vengono a contatto da un lato con l’acqua riscaldata dal generatore, dall’altro con acqua fredda: i due fluidi restano separati, ma l’acqua fredda si riscalda gradualmente.

In commercio possiamo trovare due diverse tipologie di scambiatori a piastre: a piastre saldobrasate e a piastre intercambiabili. I primi rendono maggiormente, a parità di superficie di scambio; i secondi sono invece più facili da ispezionare e da manutenere.

Il numero delle piastre dipende dalla potenza che si vuole ottenere: nelle caldaie a uso domestico, è compreso tra 12 e 14. Altamente efficiente, lo scambiatore di calore a piastre permette di risparmiare sui costi. Inoltre, è molto resistente al calcare e mantiene l’acqua riscaldata ad una temperatura costante. Tuttavia, è possibile che sulle piastre si accumuli un po’ di sporcizia: per prevenire malfunzionamenti, è dunque bene pulire periodicamente le superfici di scambio.

Scambiatori di calore a tubi

Impiegati in molti contesti civili e industriali, gli scambiatori di calore a tubi (o a fascio tubiero) si caratterizzano per la presenza di un fascio di tubi e di un mantello (shell): un fluido scorre all’esterno dei tubi, il secondo attraverso di essi.

Per via della sua capacità di scambiare grandi quantità di calore (le sue superfici di scambio possono raggiungere le decine di migliaia di metri quadrati),è il modello di scambiatore più diffuso.

Esempi di applicazione

Ad esempio, nell’industria alimentare, gli scambiatori a piastre sono impiegati per la pastorizzazione del latte, mentre nel settore energetico, gli scambiatori a fascio tubiero sono fondamentali nei processi di raffreddamento delle turbine a gas.

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