Cosa è e come funziona uno scambiatore di calore a piastre

Come funziona uno scambiatore di calore

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. La differenza di temperatura costituisce l’”energia motrice” dello scambiatore.

Tipologie di scambiatori di calore

Lo scambio termico è regolato da leggi specifiche:

• Il calore si propaga sempre da un corpo caldo a uno freddo
• È essenziale che tre i due corpi o fluidi ci sia una differenza di temperatura
• Il calore si propaga da un corpo più caldo a uno più freddo ad eccezione di alcune dispersioni nell'ambiente

Teoria di base dello scambio termico

Il calore può essere trasferito in tre modi diversi: radiazione, conduzione, convezione.

• Radiazione: l'energia è trasferita attraverso radiazione elettromagnetica (come ad esempio il sole che riscalda la Terra).
• Conduzione: l'energia è trasferita da un corpo stazionario all'altro attraverso il movimento di atomi o molecole.
• Convezione: quando un fluido è mischiato ad un altro. È essenziale, però, fare una precisazione: la convezione può essere di tue tipi, naturale o forzata.
  Naturale, quando la differenza di densità tra due fluidi fa si che si generi movimento e le differenze di temperatura sono equilibrate.
  Forzata, quando un fattore esterno fa si che ci sia movimentazione del fluido (come ad esempio una pompa).

Per maggiori informazioni scarica il catalogo completo dove potrai trovare ulteriori approfondimenti sul calcolo (capitolo 5) e il funzionamento di uno scambiatore di calore.

Cos'è e come funziona 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. I sei parametri più importanti sono

1. La quantità di calore da trasferire (potenzialità termica);
2. La temperatura di ingresso e uscita dal lato primario e secondario;
3. Le perdite di carico massime consentite sul lato primario e secondario;
4. La temperatura di esercizio massima;
5. La pressione di esercizio massima;
6. La portata sul lato primario e secondario;
7. Le tipologie di fluidi.

Se la portata, il calore specifico e la differenza di temperatura su un lato sono note, è possibile calcolare la potenzialità.

Programma termico

Indica la temperatura di ingresso e uscita di entrambi i fluidi nello scambiatore di calore.

• T1 = Temperatura di ingresso − lato caldo
• T2 = Temperatura di uscita − lato caldo
• T3 = temperatura di ingresso − lato freddo
• T4 = Temperatura di uscita − lato freddo

Il programma termico è rappresentato nello schema seguente.

Potenza

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 potenza (P) è espressa in kW o kcal/h.

Differenza media di temperatura logaritmica

La differenza media di temperatura logaritmica (LMTD) è la forza di trasmissione effettiva nello scambiatore di calore. (Vedi formula sopra)

Lunghezza termica

La lunghezza termica (Θ) è il rapporto tra la differenza di temperatura δt su un lato e la LMTD

Θ=δt/LMTD

La lunghezza termica indica la difficoltà di un'applicazione dal punto di vista termico.

Densità

La densità (ρ) è la massa per unità di volume ed è espressa in kg/m3 o kg/dm3.

Raffreddamento

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. Per elevata lunghezza termica intendiamo casi con valori di Θ > 1 e sono caratterizzati da:

• piastre lunghe, quindi più tempo necessario per il raffreddamento del liquido
• bassa pressione, quindi peggiore distribuzione del liquido da raffreddare.

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. Per raggiungere questi valori, nel caso degli scambiatori a fascio tubiero, sarebbe necessario mettere più unità in serie.

Portata

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. Per convertire le unità di volume in unità di peso, è necessario moltiplicare il flusso di volume per la densità. 

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. Se la portata supera questi valori, sarà possibile suddividere la portata in più unità in parallelo.

Cadute di pressione

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. A titolo indicativo, cadute di pressione tra 20 e 200 kPa sono considerate normali per le applicazioni acqua/acqua.

Calore specifico

il calore specifico (c_ρ) è la quantità di energia necessaria per aumentare di un grado centigrado 1kg di sostanza. Il calore specifico dell'acqua a 20°C è 4182kJ/kg °C o 1,0 kcal/kg °C.

Viscosità

La viscosità misura la facilità di scorrimento di un liquido. Minore è la viscosità, maggiore sarà la facilità di scorrimento. La viscosità è espressa in centipoise (cP) o centistoke (cSt).

Coefficiente di scambio termico complessivo

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 coefficiente di scambio termico complessivo è espresso un W/m² °C o kcal/h, m² °C

Metodo di calcolo

Il carico di calore di uno scambiatore di calore può essere calcolato grazie alle due formule seguenti:

  1. Calcolo Poenzialità, Theta e LMTD

Dove:

P= potenzialità (kW)
m= portata massica (kg/s)
cρ= calore specifico (kJ/kg°C)
δt= differenze tra le temperature di ingresso e uscita su un lato (°C)
k= coeffciente di scambio termico (W/m²°C) 
A= area dello scambio termico (m²)
LMTD= differenza media di temperatura logaritmica

T1 = Temperatura di ingresso − lato caldo

T2 = Temperatura di uscita − lato caldo

T3 = temperatura di ingresso − lato freddo

T4 = Temperatura di uscita − lato freddo

LMTD può essere calcolata utilizzando la formula seguente, dove ΔT1 = T1  − T4 AND Δ2 = T3 − T3

  2. Coefficiente di scambio termico e margine di progetto

Il coefficiente di scambio termico complessivo totale k è definito come:

Il margine di progetto (M) è calcolato come: 

cioè, più alto è il valore K_c, inferiore sarà il valore R_f per raggiungere lo stesso margine di progetto.

Ogni parametro dell'equazione può influire sulla scelta dello scambiatore di calore. La scelta dei materiali, generalmente, influisce poco sull'efficienza, ma solo sulle proprietà di forza e corrosione dell'unità. 

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. Ciò definisce un coefficiente k che, in circostanze favorevoli, può essere nell'oridne di 8000 W/m²°C.

Con gli scambiatori di calore tradizionali a fascio tubiero, il coefficiente k sarà inferiore a 2500 W/m²°C.

Fattori importanti per minimizzare il costo dello scambiatore di calore:

1. Caduta di pressione - Più è elevata la caduta di pressione ammissibile, minore è la superficie di scambio termico necessaria.
2. LMTD - Maggiore è la differenza di temperatura tra i fluidi, minore sarà la dimensione dello scambiatore di calore. 

Materiali di costruzione

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. Per acqua di mare e acqua salmastra, è necessario utilizzare solo titanio di rado 1 (puro all 99,6%). 

Limitazioni di temperatura e pressione

La temperatura e la pressione massima he uno scambiatore può raggiungere ne influenzano il costo. Come regola generale si può dire che, più basse sono le temperature e la pressione massima e più basso sarà il prezzo. 

Sporcamento e fattori di sporcamento

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 fattore R_{f deve essere di molto inferiore per uno scambiatore di calore a piastre rispetto a quello degli scambiatori di calore a fascio tubiero.}

Valori k superiori implicano fattori di sporcamento inferiori

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 coefficiente k tipico (acqua/acqua) per uno scambiatore di calore a piastre è 6000-7500 W/m²°C, mentre uno scambiatore a fascio tubiero tipico restituisce solo 2000-2500 W/m²°C.

Un valore R_f 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 = K_c x R_f). Per ottenere M = 20-25% nello scambiatore di calore a piastre con 6000-7500 W/m²°C, il valore R_f, deve essere pari solo a 0,33 x 10^-4m² °C/W.

Differenza nel modo in cui è aggiunto il margine

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. Un fattore di sporcamento troppo elevato può provacare un maggiore sporcamento! 

Per uno scambiatore di calore a piastre in applicazione acqua/acqua, un margine pari a 0-15%, dipendente dalla qualità dell'acqua è generalmente sufficiente.