Gli scambiatori di calore sono dispositivi essenziali in molti sistemi industriali, inclusi quelli che utilizzano olio idraulico. Comprendere il loro funzionamento e come mantenerli correttamente è fondamentale per garantire l'efficienza e la durata dell'intero sistema.
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.
Tipi 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.
Tra i tipi più comuni troviamo:
- Scambiatori di calore a piastre saldobrasati (BPHE - Brazed Plate Heat Exchanger): Questi scambiatori offrono numerosi vantaggi.
- Scambiatori di calore a piastre guarnizionate (GPHE - Gasketed Plate Heat Exchanger): In uno scambiatore di calore a piastre guarnizionate, 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 nella Selezione di uno Scambiatore di Calore
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.
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I parametri principali includono:
- Portata: 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. 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.
- Caduta di Pressione (Δρ): La caduta di pressione 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.
- Calore Specifico (cρ): Il calore specifico è la quantità di energia necessaria per aumentare di un grado centigrado 1kg di sostanza.
- Viscosità: La 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): Il coefficiente di scambio termico complessivo misura la resistenza del trasferimento di calore, composta dalla quantità di sporcamento, dalla natura dei fluidi e dal tipo di scambiatore utilizzato.
Materiali Costruttivi
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.
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).
Manutenzione e Pulizia degli Scambiatori di Calore
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.
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Indipendentemente dal fatto che si tratti di uno scambiatore di calore a piastre o di un modello a fascio tubiero, la manutenzione di questi dispositivi è fondamentale per garantire la loro piena funzionalità e prolungarne la durata - anche se gli scambiatori a fascio tubiero hanno decisamente una minore tendenza ad accumulare depositi - quindi è possibile eseguire questa operazione meno frequentemente.
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. 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.
Metodi di Pulizia
- Pulizia Idrodinamica: 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.
- Pulizia Chimica: 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. La pulizia chimica delle unità più grandi di scambiatori a piastre è un processo più avanzato che richiede attrezzature specialistiche e competenze.
Tipi di Scambiatori e Metodi di Pulizia
- 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.
- Scambiatori smontabili: 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.
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.
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Manutenzione della Caldaia e Pulizia dello Scambiatore
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).
Applicazioni degli Scambiatori di Calore per Olio Idraulico
Un’applicazione molto comune degli scambiatori di calore è il loro utilizzo per il raffreddamento di impianti idraulici o di lubrificazione, ad esempio su macchine utensili e operatrici che utilizzano azionamenti idraulici e impianti oleodinamici per gli organi in movimento. In tutti questi settori, l’olio utilizzato per gli attuatori idraulici o semplicemente per la lubrificazione assorbe il calore ceduto dalle pompe e/o dal movimento meccanico generato.
Il calore accumulato dall’olio idraulico deve essere smaltito affinché l’olio mantenga le adeguate proprietà lubrificanti e di viscosità, in quanto una sua alterazione farebbe venir meno la corretta azione lubrificante con gravi danni per macchinari e impianti. Tutti gli impianti di questo genere sono pertanto dotati di un sistema di raffreddamento dell’olio mediante scambiatore di calore.
Tra le numerose applicazioni realizzate in questo settore, vediamo un caso esemplificativo di sistema di raffreddamento realizzato per un cliente che opera nel comparto della meccanica di precisione, realizzando macchinari di lavorazione a elevata precisione e ripetibilità. Entrambi questi sistemi generano calore, che deve essere dissipato per mantenere costante il livello di precisione nelle lavorazioni.
Nella fattispecie, abbiamo realizzato un sistema di raffreddamento integrato a elevata efficienza, che prevede l’impiego di una serie di apparecchiature per garantire il corretto livello di temperatura, sia dell’olio idraulico che dell’olio da taglio. Il sistema si avvale di un gruppo frigorifero centralizzato, condensato ad aria, quindi con un circuito perfettamente sigillato, senza consumo di acqua.
Componenti Accessori e Regolazione del Flusso
La temperatura dell’olio di un circuito idraulico aumenta per effetto delle perdite dovute all’attrito durante il flusso nei condotti e, soprattutto, a causa delle perdite di rendimento nelle trasformazioni energetiche compiute. Anche le caratteristiche intrinseche dell’olio usato danno un contributo significativo.
Tipologie di Radiatori Olio Idraulici
Esistono due tipologie principali di radiatori olio idraulici:
- Radiatori acqua-olio: Sono normalmente a fascio tubiero e con flussi in controcorrente. Questo permette la regolazione di temperatura dell’olio variando la portata dell’acqua. In caso di perdite d’olio, l’acqua di raffreddamento potrebbe risultarne contaminata: pertanto è obbligatorio usare circuiti chiusi.
- Radiatori aria-olio: Pur con capacità refrigeranti nettamente minori, l’aria è il fluido più comodo ed immediato per asportare il calore dai fasci tubieri percorsi dall’olio. La superficie di scambio termico deve essere però molto più ampia e quindi si utilizzano tubi sottili, numerosi, di materiali con coefficiente di scambio termico elevato ed alettati. E’ il classico “radiatore”.
Nella pratica comune gli scambiatori di calore hanno il compito di mantenere l’olio e i fluidi idraulici in genere entro un range prestabilito di temperatura. Per le macchine semoventi (tipiche quelle di movimento terra) si possono sfruttare i gas di scarico dei motori termici, convogliandoli in appositi fasci tubieri situati nei serbatoi o addirittura utilizzando veri e propri scambiatori accessori inseribili in parallelo al circuito principale. Scambio termico: raffreddamento a regime e/o riscaldo in avviamento (climi freddi, viscosità elevata), in “affiancamento” agli scambiatori veri e propri.
Manutenzione degli Scambiatori di Calore Olio Idraulico
La manutenzione regolare degli scambiatori di calore olio idraulico è essenziale per garantire un efficiente scambio termico e prevenire guasti.
Radiatori Acqua-Olio
La manutenzione è quella classica degli scambiatori e viene programmata in funzione dell’efficienza dello scambio termico, a propria volta strettamente correlata alla pulizia delle superfici di scambio. Si tratta quindi di monitorare le temperature di entrata e uscita dell’acqua e dell’olio secondo uno scadenziario adeguato. E’ una tipica attività di “automanutenzione”, ovvero di manutenzione svolta autonomamente dall’Esercizio.
Radiatori Aria-Olio
Anche in questo caso la manutenzione preventiva consiste soprattutto nel monitoraggio della temperatura e nella pulizia periodica delle superfici alettate, molto soggette a sporcamento a causa del flusso di aria forzata. Una macchina di movimento terra che lavori nella Pianura Padana nel mese di maggio, è esposta a vere e proprie nuvole di fiocchi (pappi) provenienti dai pioppi, che ostruiscono rapidamente qualsiasi alettatura. Una pulizia periodica con aria compressa è indispensabile.
Pulizia e Filtrazione dell'Olio
Anche l’olio può essere sistematicamente pulito mediante l’utilizzo di filtri carrellati con pompa autonoma. La filtrazione (più spinta di quella effettuata dai filtri a bordo macchina) può quasi sempre essere effettuata senza fermare l’impianto. Mantenere sempre il livello dell’olio. L’olio deve essere controllato dopo le prime 100 ore e va verificato che la classe d’olio soddisfi i requisiti della pompa utilizzata.
La pulizia o sostituzione dei filtri dell'impianto viene effettuata per evitare la grippatura della pompa. Durante lo smontaggio dei filtri viene valutata la necessità della loro sostituzione oppure la semplice pulizia. Mantenere in circolo all'interno dell'impianto olio sporco, che contiene detriti o microparticelle, mette a rischio tutti i compenenti dell'impianto oltre a ridurne la pressione di utilizzo. Utilizzare contenitori, tubi e impianti puliti durante il riempimento del serbatoio.
Manutenzione Predittiva e Analisi dell'Olio
Interessantissime le possibilità di manutenzione predittiva (diagnostica precoce), attraverso l’analisi periodica dell’olio: esistono correlazioni precise tra i tipi di inquinanti, la relativa concentrazione, la progressione della medesima e il grado di affidabilità del sistema. Questa attività è di norma affidata a Specialisti esterni ed è normalmente utilizzata per tutti i tipi di olio (lubrificanti, isolanti nei trasformatori etc.).
Il ricorso a Specialisti esterni è raccomandabile anche perché condizione necessaria che la diagnostica precoce sia attendibile è che i campioni di olio siano prelevati con modalità assolutamente rigide e ripetitive nonchè in posizioni indicate e (meglio ancora) predisposte dal provider.
Manutenibilità in Fase di Progetto
La manutenibilità (e non solo in questo caso!) si persegue soprattutto in fase di progetto e viene perfezionata eventualmente come manutenzione migliorativa.
Scambiatori di Calore a Piastre Saldobrasate Tempco T Plate
Gli scambiatori di calore a piastre saldobrasate della serie Tempco T Plate sono la perfetta soluzione per il raffreddamento dell’olio idraulico, che dovrebbe impiegare un dispositivo leggero, compatto, duraturo e a prova di perdite, con veloce ed elevato potere di dissipazione del calore.
Gli scambiatori di calore di Tempco della gamma T Plate e T Plate B sono macchinari di termoregolazione industriale che rappresentano la migliore soluzione per il raffreddamento dell’olio idraulico in impianti industriali e applicazioni che generano energia. Gli scambiatori a piastre di Tempco applicati al raffreddamento dell’olio idraulico mantengono la temperatura ottimale e la perfetta viscosità dell’olio, disperdendo il calore che questo assorbe nel processo di lubrificazione.
In particolare, gli scambiatori di calore saldobrasati assicurano massime prestazioni e affidabilità, un trasferimento del calore veloce ed efficiente grazie alla elevata superficie delle piastre, hanno un design leggero e compatto e, grazie alla mancanza di guarnizioni, non richiedono quasi manutenzione, consentendo inoltre installazione e assemblaggio facili, con un’eccellente resistenza ad alte temperature e pressioni, 200+300°C, f.v.
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