Gli scambiatori di calore sono dispositivi utilizzati per un efficiente trasferimento di calore tra due sostanze separate. Sono una parte essenziale di molti processi industriali, consentendo il mantenimento di temperature ottimali. Grazie ai vari tipi di scambiatori di calore, è possibile adattarne la costruzione alle esigenze e ai parametri specifici dell'applicazione.
In base alla modalità di trasferimento del calore tra i fluidi, gli scambiatori di calore si dividono in scambiatori a contatto e senza contatto. In ambito industriale, si utilizzano molto più spesso i secondi. Gli scambiatori di calore a contatto sono dispositivi in cui i fluidi vengono a diretto contatto tra loro. Ciò consente di ottenere alti coefficienti di conduzione del calore. Inoltre, questi scambiatori permettono una facile realizzazione dello scambio termico tra più di due flussi di fluidi. Gli scambiatori di calore senza contatto sono dispositivi che consentono il trasferimento di energia termica tra due fluidi che non sono in diretto contatto tra di loro.
Gli scambiatori di calore possono essere classificati in base alla loro struttura in scambiatori a piastre e scambiatori a tubi. Essi differiscono non solo per la costruzione, ma anche per l’applicazione.
Scambiatori di Calore a Piastre
Gli scambiatori di calore a piastre sono dispositivi costituiti da piastre metalliche che consentono un efficiente scambio termico tra fluidi a diverse temperature senza mescolarli. Grazie alla loro struttura, facilitano un rapido ed efficace trasferimento di calore mediante meccanismi come la convezione. Le piastre all'interno dello scambiatore formano canali attraverso i quali scorrono i fluidi, offrendo un'ampia superficie di contatto che permette un trasferimento di energia termica molto efficiente. Gli scambiatori a piastre sono ampiamente utilizzati nell'industria, in particolare nei processi di raffreddamento e riscaldamento, contribuendo al risparmio energetico e all'incremento dell'efficienza dei sistemi termici.
Scambiatori di Calore a Fascio Tubiero
Gli scambiatori di calore a tubi, detti anche scambiatori a fascio tubiero, sono dispositivi ampiamente utilizzati per un efficace scambio termico tra due fluidi. La loro struttura è composta da un mantello cilindrico al cui interno sono collocati tubi. Questo design permette a un fluido di scorrere intorno ai tubi mentre l’altro fluido scorre all'interno dei tubi, favorendo così il trasferimento di calore tra i fluidi. Gli scambiatori a fascio tubiero trovano applicazione in molti settori, tra cui l’industria chimica, alimentare ed energetica.
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Lo scambiatore di calore a fascio tubiero è fabbricato in differenti materiali come acciaio al carbonio, acciaio inox, rame, cupronichel, titanio, ecc a seconda della funzione, è costituito da una serie di tubi installati all’interno di un involucro a forma cilindrica (chiamato mantello). Rispetto a uno scambiatore a piastre, le dimensioni di uno scambiatore a fascio tubiero sono maggiormente ingombranti. Per questo, tende a essere utilizzato in contesti generalmente industriali. Inoltre, per la sua struttura, è in grado di tollerare temperature molto più elevate o vicino alla criogenia.
Tipologie di Scambiatori a Fascio Tubiero
Esistono diversi tipi di scambiatori di calore, con applicazioni specifiche in vari settori. Gli scambiatori di calore sono generalmente associati a dispositivi in cui entrambi i fluidi sono liquidi (come acqua o glicole). Tuttavia, è importante sapere che gli scambiatori di calore possono trasferire calore anche tra gas o tra gas e liquidi.
- Liquido-Liquido: Gli scambiatori di calore di tipo liquido-liquido sono dispositivi utilizzati per un'efficace scambio termico tra due liquidi con caratteristiche fisico-chimiche differenti (ad esempio, temperatura di esercizio, punto di congelamento, densità). Esempi di tali combinazioni includono: acqua-acqua, acqua-olio e acqua-glicole. Questi scambiatori trovano impiego in settori come l'industria chimica e l'energia.
- Gas-Gas: Gli scambiatori di calore tipo gas-gas vengono utilizzati per trasferire calore tra due flussi di gas. Un esempio comune è il sistema aria-aria, dove il calore viene trasferito tra due flussi d'aria. Un altro esempio è lo scambiatore fumi-aria, in cui il calore dei fumi viene recuperato e riutilizzato negli impianti di riscaldamento, per riscaldare l'aria nelle camere di combustione dei forni e per l'essiccazione di combustibili solidi come legno o carbone.
- Liquido-Gas: Gli scambiatori di calore tipo liquido-gas sono dispositivi che consentono un efficiente trasferimento di calore tra un liquido e un gas. Gli scambiatori acqua-aria sono spesso utilizzati negli impianti di riscaldamento e climatizzazione, dove l'acqua riscaldata nelle caldaie cede calore all'aria, che viene poi distribuita negli ambienti. Gli scambiatori glicole-aria, invece, trovano applicazione in vari settori industriali e negli edifici residenziali.
Configurazioni del Flusso
- A correnti parallele: sono dispositivi in cui lo scambio di calore avviene tra due flussi di fluido che scorrono nella stessa direzione.
- A controcorrente: sono scambiatori di calore con un’efficienza molto maggiore rispetto a quelli a correnti parallele.
- A flusso incrociato: sono scambiatori in cui un flusso scorre rispetto all’altro con un angolo retto.
Materiali di Costruzione
Gli scambiatori di calore differiscono anche per i materiali di costruzione. Uno dei materiali più comuni per la realizzazione degli scambiatori è l'acciaio inossidabile resistente agli acidi (316L), un materiale che offre elevata resistenza e ottime proprietà termiche. Un altro materiale molto usato è il titanio, caratterizzato da un’elevata resistenza alla corrosione anche in ambienti salini (come l'acqua di mare), mantenendo al contempo leggerezza e robustezza.
A livello costruttivo, negli scambiatori di calore a fascio tubiero possono essere impiegati un po’ tutti i materiali, dall’acciaio inossidabile al rame al ferro.
Tipologie specifiche di scambiatori a fascio tubiero
Le varie tipologie presentano ognuna vantaggi e limiti propri. Quelli che più impieghiamo sono della tipologia a tubi dritti scovolabili: in questi scambiatori le due testate possono essere smontate mettendo in mostra i tubi dritti in cui passa il fluido, che vanno da una testata all’altra. Essendo appunto dritti possono essere puliti uno per uno per mezzo di uno scovolino, asportando lo sporco accumulato. Il diametro dei tubi varia in funzione del tipo di fluido che vi scorre all’interno, del tipo di processo e di scambio termico. Solitamente si tratta di scambiatori saldati e il fascio tubiero non può essere estratto. Questo tipo di scambiatori viene impiegato generalmente nella cogenerazione, in applicazione per il recupero di calore dai fumi esausti sui motori. I fumi passano nei tubi che vengono poi puliti. Un altro impiego è nel settore del biogas per la deumidificazione del biogas stesso. Sono altresì utilizzati per la produzione di acqua calda mediante vapore.
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I limiti degli scambiatori a fascio tubiero scovolabili sono legati alla loro lunghezza, per cui se serve uno schema termico lungo con salti termici molto lunghi dovrò mettere più scambiatori in serie.
L’altra classica tipologia è quella degli scambiatori a chioma, o a fascio tubiero a U estraibile. Abbiamo qui un fascio tubiero formato da tanti tubi piegati a forma di U, saldati su una sola testata. In questo caso la parte che può esser pulita è il mantello, quindi quella esterna, in quanto il fascio tubiero può essere estratto.
Gli scambiatori a fascio tubiero sono tra i più diffusi e longevi sul mercato. Questi dispositivi sono realizzati in modo tale che uno o più fasci di tubi attraversano un mantello. Al loro interno avviene il trasferimento termico tra il fluido che scorre nei tubi e quello presente nel mantello. I tubi sono piegati a forma di U e saldati a una singola piastra tubiera. I tubi rettilinei sono collegati a due piastre tubiere fisse, mentre il mantello include un giunto d’espansione per compensare le dilatazioni termiche.
Applicazioni
Gli scambiatori sono progettati per riscaldare o raffreddare fluidi in ambito industriale. Questo tipo di scambiatore è composto da un distributore, un mantello e un fascio tubiero. Il fascio tubiero può essere fornito con tubi tradizionali oppure con tubi alettati, per aumentare la superficie di scambio e diminuire le dimensioni d’ingombro.
Gli scambiatori di calore a fascio tubiero forniti da Forain possono essere forniti in formato orizzontale o verticale, a seconda delle esigenze dell’azienda. Indipendentemente dalla forma e dalle dimensioni dello scambiatore di calore di cui hai bisogno, se scegli uno dei nostri apparecchi, hai la certezza che sia conforme alle regole TEMA e ad altri codici internazionali.
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Siamo specialisti in attività di “ritubaggio” di scambiatori a fascio tubiero di medie e grandi dimensioni.
Scambiatori Shell & Tube
Gli scambiatori Shell & Tube sono preferiti per applicazioni ad alte pressioni e alte temperature, grazie alla loro robustezza e flessibilità. In particolare, gli scambiatori Shell & Tube a piastre fisse e tubi corrugati rappresentano una scelta innovativa e particolarmente vantaggiosa per applicazioni che richiedono un’elevata efficienza di scambio e una ridotta manutenzione.
Scambiatori di Calore nelle Pompe di Calore Aria-Acqua
Gli scambiatori di calore sono componenti essenziali nelle pompe di calore aria-acqua, in quanto consentono il trasferimento di energia termica tra il fluido refrigerante e l’aria esterna e il circuito idraulico interno (acqua). Per quanto riguarda lo scambio refrigerante-acqua, la tipologia più utilizzata, soprattutto nelle apparecchiature di tipo residenziale, è quella degli scambiatori di calore a piastre. Essi sono costituiti da un insieme di piastre metalliche ondulate e affacciate che formano canali alternati per il passaggio dell’acqua e del fluido refrigerante. Il calore viene trasferito attraverso le pareti delle piastre per conduzione. Questi scambiatori di calore sono molto efficienti per quanto riguarda lo scambio termico grazie alla grande superficie di contatto. Sono compatti e leggeri, facilitando l’installazione grazie ai ridotti ingombri.
In alcuni impianti di medio-grande potenza, vengono impiegati anche scambiatori di calore a fascio tubiero. Essi sono composti da un fascio di tubi paralleli, all’interno dei quali circola il fluido refrigerante, immersi in un recipiente contenente l’acqua. Questi scambiatori sono robusti e resistenti a elevate pressioni e temperature, facendo di essi una scelta ideale per applicazioni industriali o commerciali.
Un’altra tipologia utilizzata sono gli scambiatori di calore a serpentina, che consistono in tubi curvi attraverso i quali circola il fluido refrigerante. Questi scambiatori sono meno comuni nelle pompe di calore aria-acqua ma possono essere usati in specifici contesti dove l’interfaccia tra i fluidi è critica.
In aggiunta, è importante considerare l’impatto delle condizioni climatiche e la posizione geografica nell’installazione di pompe di calore aria-acqua. L’efficienza di funzionamento di questi scambiatori di calore può variare notevolmente in base alle temperature esterne.
Infine, l’integrazione delle tecnologie di monitoraggio e controllo può contribuire a ottimizzare ulteriormente il funzionamento degli scambiatori di calore. Sistemi di controllo avanzati possono regolare il flusso dei fluidi in base ai cambiamenti delle esigenze di riscaldamento o raffreddamento, migliorando così l’efficienza complessiva dell’impianto.