Lo scambiatore di calore, detto anche scambiatore termico, è un’apparecchiatura che consente di scambiare calore tra due fluidi a diversa temperatura. 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. Il trasferimento di energia termica tra i due elementi avviene solitamente attraverso una parete metallica che li separa, evitandone la miscelazione. Dato la loro finalità, gli scambiatori di calore rivestono un ruolo fondamentale nella progettazione e realizzazione di impianti industriali e trovano largo impiego in più settori - energetico, chimico, petrolchimico.
In particolare, negli impianti chimici e petrolchimici, i processi di lavorazione richiedono una costante termoregolazione, per questo gli scambiatori di calore diventano apparecchiature indispensabili. Poiché ogni impianto possiede caratteristiche diverse, è bene selezionare la giusta tipologia di scambiatore termico tenendo in considerazione lo spazio per l’installazione, il budget disponibile e, non per ultimo, le caratteristiche dei fluidi trattati. Infatti, esiste una vasta gamma di scambiatori di calore che, a seconda della modalità in cui avviene lo scambio termico e le peculiarità dei fluidi trattati, presenterà una struttura e un funzionamento differenti.
Tipologie di Scambiatori di Calore
Per quanto riguarda le tipologie di scambiatori termici, il mercato ogni giorno propone modelli con caratteristiche e modalità di funzionamento diversi, in grado di rispondere alle varie esigenze dei committenti.
Scambiatori Tubolari
Scambiatori tubolari: ne esistono varie sottocategorie - a doppio tubo, tubo a spirale, tubo a tubo - a seconda delle caratteristiche. Negli scambiatori di calore il primo modo per realizzare lo scambio termico tra i due fluidi è impiegare due tubi coassiali inseriti uno nell’altro, come avviene appunto negli scambiatori tubo in tubo. Qui viene fatto scorrere il primo fluido nel tubo interno e il secondo nella zona anulare tra un tubo e l’altro. In generale, questi modelli funzionano con un fluido che circola all’interno del tubo o più tubi collocati all’interno di un tubo più grande, mentre il secondo fluido attraversa gli spazi tra i tubi interni e quello esterno. Esistono poi scambiatori a tubi e mantello, o shell and tube, ovvero scambiatori che esasperano il concetto sopradescritto. Una ulteriore tipologia è quella degli scambiatori a serpentina, ideali per fluidi corrosivi o sporchi, prevedono l’immersione del sistema di scambio termico nella vasca contenente il fluido da termostatare.
Scambiatori a Piastre
Scambiatore a piastre: anche per questa categoria esistono vari modelli, tra cui piastre con guarnizioni, piastre saldate o scambiatori a piastre brasate. Gli scambiatori a piastre ispezionabili e gli scambiatori saldobrasati presentano un rapporto molto elevato tra il volume e la superficie di scambio termico. Comunemente, un modello a piastre è costituito da piastre increspate così da formare dei piccoli condotti finalizzati al passaggio del fluido. Sono costituiti da un pacco di piastre simili tra loro ottenute da lamiera per stampaggio a freddo con differenti forme di corrugazione superficiale, aventi angoli differenti (angoli Chevron) a seconda dello schema termico che si desidera ottenere. Le piastre sono sostenute da un telaio e pressate da una testata mobile del medesimo. I fluidi caldo e freddo fluiscono alternativamente, in modo tale che ogni corrente fredda sia a contatto con due correnti di fluido caldo.
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Principi Fondamentali dello Scambio Termico
Coloro che desiderano familiarizzare maggiormente con il funzionamento degli scambiatori a piastre, troveranno qui di seguito in maniera molto elementare i 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.
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.
Parametri Chiave nella Scelta dello 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.
- 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.
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.
Il progetto degli scambiatori di calore a piastre implica una turbolenza, e di conseguenza un'efficienza termica, molto maggiore degli scambiatori a fascio tubiero. 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.
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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.
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