Scambiatore caldo-olio (cola idro): funzionamento e prestazioni

Uno scambiatore di calore è un dispositivo che trasferisce energia termica tra due flussi di fluido senza che si mescolino. Per definire in modo semplice uno scambiatore di calore industriale, possiamo pensarlo come un dispositivo che trasferisce calore da un fluido a un altro. I due fluidi, che possono essere liquidi (come acqua, olio) o gas (come aria, vapore), scorrono all’interno dello scambiatore senza mai mescolarsi tra loro.

Il suo funzionamento si basa sul principio della termodinamica secondo cui il calore si sposta naturalmente da un corpo più caldo a uno più freddo. Il principio alla base del funzionamento di ogni scambiatore di calore è una delle leggi fondamentali della fisica: il secondo principio della termodinamica. Secondo le leggi naturali della fisica, l’energia presente in un sistema tende sempre a raggiungere l’equilibrio.

Meccanismi di trasferimento termico

Il processo di trasferimento del calore nello scambiatore avviene senza che i fluidi si miscelino. L’energia tende sempre a raggiungere uno stato di equilibrio; di conseguenza, finché esisterà una differenza di temperatura tra due fluidi, quello più caldo cederà energia termica a quello più freddo fino al raggiungimento di tale equilibrio. Il calore passa da un flusso all’altro attraverso queste piastre.

Il principio di funzionamento di parte dell’impianto si basa, come abbiamo visto, sul trasferimento termico, in particolare sulla conduzione e sulla convezione. Conduzione termica: è il meccanismo con cui il calore si propaga attraverso un materiale solido. Nei sistemi a caldaia, i gas caldi cedono energia al metallo dello scambiatore, il quale, a sua volta, la trasferisce all’acqua che scorre nei tubi o tra le piastre.

Convezione: è il movimento del calore tramite un fluido in movimento. Nell’ambito dello scambiatore, l’acqua fredda che entra viene riscaldata per convezione man mano che assorbe energia termica. È essenziale, però, fare una precisazione: la convezione può essere di due tipi, naturale o forzata.

Configurazioni di flusso e loro influenza sulle prestazioni

I due fluidi possono scorrere in configurazione equicorrente (stessa direzione) oppure controcorrente (direzioni opposte). Flusso in equicorrente (Parallelo): i due fluidi entrano nello scambiatore dallo stesso lato e scorrono nella stessa direzione. Flusso in controcorrente: i due fluidi entrano nello scambiatore da lati opposti e scorrono in direzioni opposte.

Questa configurazione mantiene una differenza di temperatura più costante lungo tutta la superficie di scambio, garantendo un’efficienza di trasferimento termico significativamente maggiore. Gli scambiatori a controflusso hanno un’efficienza superiore rispetto a quelli a flusso incrociato. Anche il loro costo è più elevato. Possono superare il 90% di efficienza.

Si definisce ‘incrocio di temperatura’ lo scenario in cui la temperatura di uscita del fluido freddo supera la temperatura di uscita del fluido caldo. 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.

Tipologie di scambiatori rilevanti per applicazioni "cola idro"

Nella maggior parte delle applicazioni sono utilizzati scambiatori ‘a superficie’ nei quali i due fluidi sono separati da una sottile parete metallica. Uno scambiatore di calore a piastre è costituito da una serie di sottili piastre metalliche corrugate, pressate insieme in un telaio. Uno scambiatore di calore a piastre è costituito da una serie di piastre metalliche affiancate tra cui scorrono i due fluidi.

Gli scambiatori a piastre sono costituiti da un telaio metallico (con una lastra fissa e una mobile) e da un pacco di piastre di scambio termico in numero variabile secondo le esigenze. 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.

Gli scambiatori di calore a piastre saldobrasati (BPHE - Brazed Plate Heat Exchanger) offrono numerosi vantaggi. 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 a fascio tubiero sono la tipologia più robusta e una delle più diffuse nell’industria pesante. È composto da un fascio di tubi (il fascio tubiero) inserito all’interno di un involucro cilindrico (il mantello). Vantaggi: Estremamente affidabile e in grado di operare a pressioni e temperature molto elevate.

Nello scambiatore di calore a tubi alettati, un fluido (solitamente un liquido o un refrigerante) scorre all’interno di un tubo a serpentino, mentre un gas (tipicamente aria) viene forzato a passare all’esterno. Vantaggi: Ideale per lo scambio termico tra un liquido e un gas. Gli scambiatori di calore a fascio tubiero si classificano in base a diversi fattori: materiali costruttivi, tipologia dei fluidi, disegno termofluidodinamico.

Design, materiali e prestazioni

Le pareti che li dividono, realizzate in materiali ad alta conducibilità termica come acciaio inossidabile, rame o titanio, fungono da ponte per il passaggio del calore. La scelta del materiale incide non solo sulla durata della caldaia ma anche sull’efficienza energetica e sulla manutenzione necessaria nel tempo. I più comuni sono: Rame: eccellente conduttore di calore, è molto usato negli scambiatori primari per caldaie tradizionali.

Acciaio inox: resistente alla corrosione e alle alte temperature. È spesso impiegato negli scambiatori a condensazione per via dell’aggressività chimica dei fumi condensati. Aluminio-silicio: utilizzato in alcuni modelli per via della leggerezza e della buona conduttività, anche se meno resistente nel lungo periodo rispetto all’acciaio.

La scelta del materiale per i componenti chiave, come tubi e piastre, è critica per la longevità e l’efficienza di uno scambiatore. Cu-Ni 90/10 (C70600): Lo standard industriale per applicazioni marine. Nella maggior parte degli scambiatori di calore Alfa Laval per applicazioni acqua/acqua sono utilizzate piastre in acciaio inossidabile AISI 316 di alta qualità.

Parametri di progetto e dimensionamento

Quantità di calore da trasferire, espressa in kW o kcal/h. Temperature di ingresso e uscita su entrambi i lati (lato primario e lato secondario). Pressione massima del sistema. La portata massima generalmente determina quale tipo di scambiatore di calore sia appropriato per uno scopo specifico.

La caduta di pressione attraverso lo scambiatore di calore è inversamente proporzionale alle sue dimensioni: se si accetta una caduta di pressione maggiore (con costi di pompaggio più elevati), lo scambiatore risulterà più compatto e meno costoso. La caduta di pressione (Δρ) è inversamente proporzionale alle dimensioni dello scambiatore di calore a piastre.

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. 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.

Efficienza, margini di progetto e comportamento allo sporcamento

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.

Uno scambiatore di calore a piastre offre altissima efficienza termica grazie all’elevata turbolenza e alla grande superficie di scambio in un volume compatto. 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.

Lo sporcamento consiste nella deposizione di sostanze sulle superfici di scambio termico: incrostazioni calcaree, depositi organici, ossidi metallici, sedimenti. Con il tempo, sulle superfici di scambio possono formarsi depositi (incrostazioni o fouling) che agiscono come uno strato isolante, riducendo drasticamente l’efficienza. Lo sporcamento consentito può essere espresso come margine di progetto (M) oppure come fattore di sporcamento, espresso in m2°C/W o M2h°C/kcal.

Manutenzione, diagnostica e interventi

La manutenzione regolare è essenziale per garantire efficienza e durata nel tempo. Una corretta manutenzione è altrettanto fondamentale. Gli scambiatori di calore tendono a intasarsi principalmente a causa del calcare presente nell'acqua o dei sedimenti ferrosi che si accumulano nel circuito del riscaldamento.

La necessità di pulire lo scambiatore della caldaia si manifesta, ad esempio, quando l'acqua calda non raggiunge la temperatura desiderata, nonostante sia stato impostato il massimo dei gradi sulla scala di regolazione. Questo sintomo è il primo indicatore che lo scambiatore ha iniziato a ostruirsi a causa di impurità, detriti e calcare che si depositano nell'impianto durante il funzionamento della caldaia.

Ulteriori segnali di malfunzionamento includono: Perdita di pressione nel circuito, Rumori anomali durante il funzionamento, Riscaldamento non uniforme dei radiatori, Errori di sistema segnalati direttamente sullo schermo della caldaia o dalla centralina elettronica. È necessario valutare attentamente le azioni da intraprendere per riportare a regime l’impianto, confrontandosi eventualmente anche con il progettista stesso.

Nel caso in cui la resa termica - verificabile attraverso la lettura dei termometri prima e dopo i circuiti primari e secondari - non rientri nei valori stabiliti dal costruttore, occorre intervenire con una pulizia del lato interessato. La pulizia dello scambiatore non può essere eseguita in autonomia poiché è un’operazione complessa, che richiede di attenersi strettamente alle norme di sicurezza e di impiegare equipaggiamento protettivo adeguato alla sua esecuzione. È quindi necessario chiamare un tecnico specializzato se si sospetta che questa operazione sia necessaria.

Una delle tecniche usate per la pulizia dello scambiatore di calore è il metodo di lavaggio idrodinamico con acqua. L'acqua, opportunamente addizionata con un anticalcare, rappresenta un agente efficace per rimuovere sporco, depositi e impurità accumulate. Per componenti particolarmente sporchi, può rivelarsi utile anche lasciare lo scambiatore immerso nella soluzione anticalcare, per esempio per la durata di una notte.

Le operazioni principali di manutenzione sono le seguenti. Decalcificazione: La decalcificazione viene effettuata con apposite pompe e prodotti disincrostanti che sciolgono i depositi senza danneggiare il metallo. Pulizia chimica o meccanica: A seconda della configurazione dello scambiatore, può essere necessario intervenire con prodotti chimici o smontare fisicamente l’elemento per una pulizia profonda. Verifica delle tenute e delle saldature: Eventuali perdite possono compromettere sia la sicurezza dell’impianto sia l’efficienza dello scambio termico.

Frequenza consigliata per la manutenzione: In generale, si dovrebbe effettuare la manutenzione della caldaia, compresa la verifica dello scambiatore, almeno una volta all’anno. Questo intervallo può essere ridotto se l’acqua di alimentazione è particolarmente ricca di minerali o se l’uso della caldaia è intensivo. È inoltre consigliabile installare dispositivi che prevengano il deposito di impurità, quali il dosatore di polifosfati e il defangatore.

Applicazioni industriali e specifiche per impianti di cogenerazione

Nello scambiatore di calore a fascio tubiero, il fluido lato tubi può compiere uno o più passaggi, fino anche a otto passaggi ‘avanti e indietro’. Il numero di passaggi è legato alle portate e alle temperature: se la portata è bassa, la velocità interna dello scambiatore sarebbe insufficiente a garantire un buon coefficiente di scambio.

Questo scambiatore a fascio tubiero acqua‑gas di scarico nasce per recuperare calore dai fumi di motori endotermici, trasformando un’energia altrimenti dispersa in calore utile per altri processi o circuiti acqua. La struttura a fascio tubiero è pensata per resistere a temperature elevate, differenze termiche significative e condizioni di funzionamento continuativo tipiche dei motori per cogenerazione.

A seconda dell’applicazione, lo scambiatore può essere configurato e dimensionato su misura, adattando lunghezza, diametro, tipo di tubi e connessioni per l’integrazione ottimale nell’impianto. Gli scambiatori a fascio tubiero acqua‑gas di scarico Sesino possono essere utilizzati anche su motori endotermici installati in aree con requisiti di sicurezza elevati, come le applicazioni explosion proof che richiedono certificazione ATEX.

La robustezza costruttiva, unita alla possibilità di progettazione su misura, riduce le esigenze di manutenzione straordinaria e favorisce una lunga vita operativa dello scambiatore. Lo scambiatore di calore industriale è molto più di un semplice componente meccanico. È un dispositivo strategico che permette alle industrie di operare in modo sicuro, controllare la qualità dei prodotti e, soprattutto, migliorare l’efficienza energetica.

Scambiatori negli impianti di climatizzazione e nelle caldaie

L’impianto di climatizzazione - sia esso costituito da un generatore di calore (tradizionale o condensazione) oppure da pompa di calore o altro - che utilizza uno scambiatore deve tener conto dei dati di fabbrica dello stesso, della potenza resa in funzione delle portate di acqua del circuito primario e secondario, delle perdite di carico e dalla tipologia di circolatori presenti. Particolare attenzione verrà rivolta al calcolo degli accumulatori di acqua calda sanitaria.

Lo scambiatore di calore è uno dei componenti più importanti all'interno di una caldaia. Il suo compito è centrale: trasferire il calore generato dalla combustione all’acqua del circuito di riscaldamento permettendo il riscaldamento degli ambienti e, se previsto, la produzione di acqua calda sanitaria. Nelle caldaie, il fluido caldo è rappresentato dai gas di combustione; il fluido freddo, invece, è l’acqua del circuito termico.

Il design dello scambiatore influisce notevolmente sull'efficienza del processo: geometrie ottimizzate, superfici estese e materiali ad alta conducibilità permettono infatti di aumentare la quantità di calore trasferito in tempi ridotti e con minori perdite. In una caldaia a condensazione, il processo si estende anche alla condensazione del vapore contenuto nei gas di scarico. Questo comporta un ulteriore trasferimento di energia, che contribuisce a migliorare il rendimento complessivo del sistema.

Esistono diversi tipi di scambiatori utilizzati nelle caldaie, ciascuno con caratteristiche progettuali specifiche: Scambiatore monotermico, Scambiatore bitermico, Scambiatore a blocchi, Scambiatore a piastre, Scambiatore a spirale. Lo scambiatore bitermico integra in un’unica struttura i due circuiti, sanitario e di riscaldamento, che restano separati ma scorrono all'interno dello stesso corpo.

Monitoraggio, scelta e cataloghi

È possibile monitorare da remoto le prestazioni degli scambiatori di calore Alfa Laval? Sì. Il catalogo online di Alfa Laval è uno strumento di facile utilizzo che consente di identificare la soluzione migliore per la propria applicazione. La selezione di modelli della linea Fast Track proviene dalla linea Industriale. Questo assortimento preconfigurato comprende configurazioni adatte alla maggior parte delle applicazioni.

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.

Consigli pratici per l’uso e la scelta

• Non esiste uno scambiatore di calore “universale”. La scelta del modello giusto dipende da fattori come la natura dei fluidi, le pressioni e le temperature di esercizio, e lo spazio disponibile.
• La temperatura e la pressione massima che uno scambiatore può raggiungere ne influenzano il costo.
• Se si accetta una caduta di pressione maggiore e costi di pompaggio superiori, lo scambiatore sarà più compatto e meno costoso.
• Gli scambiatori a piastre offrono grandi vantaggi per applicazioni acqua/acqua con ampie gamme di portata e alte efficienze in volumi compatti.
• Per applicazioni ad alta temperatura e pressione o dove è richiesta estrema robustezza, gli scambiatori a fascio tubiero rimangono la scelta preferibile.

La scelta del materiale, il progetto termofluidodinamico, il controllo dello sporcamento e la manutenzione periodica determinano le prestazioni e la durata operativa dello scambiatore. Un impianto curato, con uno scambiatore pulito ed efficiente, riduce le emissioni inquinanti, abbassa i costi di gestione e preserva il valore dell’intera caldaia.

tags: #scambiatore #cola #idro