Il coefficiente di scambio termico è il fattore più importante nella progettazione degli scambiatori di calore. I metalli e le leghe metalliche presentano i coefficienti di scambio termico più elevati al mondo. Per questo motivo i tubi e le piastre utilizzati negli scambiatori — cioè tutti i componenti del sistema termico — sono selezionati da questo gruppo di materiali. AISI 316, AISI 304 e titanio sono i materiali più diffusi nel settore.
Nella maggior parte degli scambiatori non vi sono interazioni termiche o meccaniche esterne. Un sistema tipico funziona attraverso l'evaporazione e la condensazione di flussi di fluido mono- o multicomponente, riscaldando o raffreddando un altro fluido. Mentre un lato cede calore, l'altro lo assorbe. Altre applicazioni includono il recupero termico, la sterilizzazione, la condensazione del fluido e il controllo di processo.
1. Classificazione degli scambiatori di calore
Gli scambiatori operano secondo le leggi dei sistemi termici, trasferendo energia termica (entalpia) da un fluido all'altro. Le applicazioni tipiche comprendono riscaldamento e raffreddamento, nonché evaporazione e condensazione di fluidi mono- o multicomponente.
In generale, lo scambio termico avviene sulle superfici di sottili piastre o tubi che separano i fluidi. Queste pareti impediscono la miscelazione dei fluidi e consentono un miglior controllo sui mezzi caldi e freddi. Gli scambiatori in cui i fluidi sono separati da piastre o tubi vengono chiamati "scambiatori a piastre" o "scambiatori a tubi a U".
Il punto chiave di uno scambiatore è che sia progettato per trasferire calore da un fluido a un altro e che rispetti le leggi della termodinamica. I tipi più diffusi sono gli scambiatori a fascio tubiero e quelli a piastre.
1.1. Scambiatore a tubi fissi
In questo modello vengono utilizzate alette aggiuntive per ampliare la superficie di scambio dei tubi; sono saldate, riducono i costi e aumentano l'efficienza. Tuttavia i fasci tubieri non sono estraibili.
1.2. Fasci tubieri estraibili
Per garantire la durata del prodotto o definire la posizione del fluido, i fasci tubieri possono essere estratti, puliti e rimontati su richiesta. La soluzione più semplice contro gli intasamenti è smontare e pulire i tubi; dopo un'ispezione accurata possono essere sostituiti o rimontati.
1.3. Scambiatori a tubi diritti
Pinze tengono insieme i fasci tubieri. L'altro lato è a pieno contatto con il fluido e rimane libero. La parte flottante è fissata con bulloni alla superficie del mantello, impedendo perdite e deformazioni dei tubi. Questo tipo trasferisce l'entalpia direttamente; l'energia termica accumulata si diffonde sull'intera area o matrice di scambio. Esempi: caldaie, radiatori, torri di raffreddamento e condensatori.
1.4. Scambiatori a piastre
Gli scambiatori a piastre sono formati da due lastre metalliche assemblate, con canali stretti e guarnizioni in plastica. Gli angoli delle piastre a grande superficie costituiscono i punti di ingresso e uscita del flusso, mentre il disegno della matrice e i percorsi tra le piastre aumentano l'area di scambio termico. I fluidi cedono e assorbono calore sulle superfici attraversate. La suddivisione in canali permette lo scambio termico tra fluidi caldi e freddi senza miscelazione. Grazie all'ampia superficie di scambio, sono il tipo più scelto.
1.5. Scambiatori rigenerativi
Negli scambiatori rigenerativi lo stesso fluido attraversa entrambi i lati; ciò è possibile sia nei modelli a piastre che a tubi. Il sistema consente al fluido di raggiungere temperature molto elevate; in genere il flusso in uscita viene utilizzato per raffreddare l'altro. Grazie al funzionamento ciclico viene trasferita quasi tutta la quantità di calore e il raffreddamento è efficace. Per mantenere una temperatura stabile è necessaria solo una piccola quantità di energia.
1.6. Scambiatori cilindrici adiabatici
In questo tipo il secondo fluido è quello centrale e a pieno contatto con i tubi attraversati dal primo, garantendo lo scambio termico. I tubi disposti in forma circolare creano una grande superficie di scambio nel secondo fluido.
Classificazione per funzione
Per numero di fluidi
- 2 fluidi
- 3 fluidi
- N fluidi
Per meccanismo di scambio termico
- Convezione monofase bilaterale
- Convezione monofase unilaterale
- Convezione bifase bilaterale
- Convezione e radiazione combinate
Per processo di scambio termico
- Contatto diretto
- Gas-liquido
- Liquido-vapore
- Non miscibili
- Contatto indiretto
- Trasferimento diretto
- Tipo a serbatoio
- A letto fluido
Per compattezza superficiale
- Gas-liquido
- Compatto (β > 700 m²/m³)
- Non compatto (β < 700 m²/m³)
- Liquido-liquido
- Compatto (β > 400 m²/m³)
- Non compatto (β < 400 m²/m³)
Per costruzione
- Tubolare
- Doppio tubo
- Tubo a spirale
- Serpentina tubolare
- A fascio tubiero con mantello
- A piastre
- Saldato
- Con guarnizioni
- Brasato
- A spirale
- Stampato
- A piastre arrotolate
- A superficie estesa
- A piastre alettate
- A tubi alettati
- Rigenerativo
- Rotante
- A matrice fissa
- A piastre rotanti
Per disposizione del flusso
- Single-pass
- Controflusso
- Flusso incrociato
- Flusso suddiviso
- Multi-pass
- A superficie estesa
- A piastre
- A fascio tubiero con mantello
Progettazione: area, alette e collegamenti
L'efficienza degli scambiatori di calore dipende dai fattori di scambio termico — il disegno della matrice, i metodi di distribuzione del calore, gli ugelli, i collettori, i serbatoi, i tubi e gli elementi di tenuta. Il più importante è la superficie di scambio termico: maggiore è la superficie di contatto dei fluidi, maggiore lo scambio termico. La massimizzazione dell'area è quindi l'obiettivo centrale della progettazione.
D'altra parte, gli elementi di distribuzione del calore devono essere isolati per evitare perdite e aumentare l'efficienza del sistema. Ugelli, attacchi di testa ed elementi simili devono essere serrati ai corretti valori di coppia e montati correttamente. In caso contrario diminuisce la sicurezza del sistema termico, i fluidi possono mescolarsi e si verificano perdite di pressione. I manuali d'uso costituiscono il riferimento base per manutenzione, riparazione e corretto utilizzo. Ad eccezione dei modelli rotanti degli scambiatori rigenerativi, la maggior parte degli scambiatori non ha parti mobili; i modelli rotanti utilizzano motori per aumentare pressione e portata.
Una piccola superficie di contatto tra le interfacce è sufficiente per avviare lo scambio termico — fenomeno chiamato permeabilità diretta della superficie. Un altro metodo per aumentare lo scambio termico è l'uso di alette. Le alette vengono di norma applicate perpendicolarmente (90°) alla superficie e ne ampliano l'area di scambio, garantendo maggiore scambio termico a parità di temperatura. Come effetto collaterale generano convezione superficiale, dissipano calore per irraggiamento e possono provocare condensazione sul mantello. Di conseguenza la resistenza termica della superficie diminuisce.
Le alette aumentano inoltre la resistenza della matrice, consentendo l'utilizzo di fluidi più densi e viscosi. La distanza tra le alette influenza la distribuzione della temperatura: aumentando la distanza l'efficienza teorica diminuisce, ma la pressione istantanea si riduce e si garantisce la continuità della circolazione.
Criteri di denominazione
Gli scambiatori di calore vengono denominati in vari modi: in base al processo di scambio termico, al numero di fluidi, al meccanismo di trasmissione, al tipo di costruzione e alla disposizione del flusso. Un altro criterio è il rapporto scambio termico / volume; gli scambiatori compatti sono modelli più piccoli e pratici in questo senso. Anche il settore di impiego, il tipo di componenti e i parametri di progettazione portano a denominazioni diverse. Il tipo di fluido (gas-gas, gas-liquido, liquido-liquido) è un altro criterio di classificazione comune.
2. Processo di scambio termico
Il processo di scambio termico viene utilizzato principalmente per distinguere gli scambiatori diretti e indiretti. Negli scambiatori diretti lo scambio termico avviene per mescolamento dei fluidi — le torri di raffreddamento operano secondo questo principio. Negli scambiatori indiretti i fluidi non si mescolano; lo scambio termico avviene attraverso le superfici che li separano.
2.1. Scambiatori a piastre
Gli scambiatori a piastre sono costituiti da piastre con disegno della matrice impresso e da un telaio. Le piastre, generalmente stampate in acciaio inox, sono particolarmente adatte al settore alimentare che richiede elevati standard igienici.
La geometria attiva delle piastre permette il disegno della matrice e massimizza l'efficienza del sistema, ampliando i campi di applicazione. In combinazione con la facilità di pulizia e manutenzione, gli scambiatori a piastre sono il modello più diffuso al mondo. Nelle applicazioni gravose rappresentano un'alternativa agli altri tipi. Il principio di funzionamento è la conduzione termica naturale. I parametri progettuali variano: tipo di piastra (area stretta o ampia), qualità (AISI 304, AISI 316, titanio) e numero di piastre vengono scelti in base all'applicazione. Rispetto agli scambiatori a fascio tubiero, la progettazione e i calcoli sono più semplici.
2.2. Vantaggi e svantaggi degli scambiatori a piastre
Vantaggi:
- La configurazione in controflusso è favorevole e consente di ridurre l'area di scambio termico.
- I diversi design delle piastre offrono ampia flessibilità nell'efficienza termica.
- Sulla superficie della matrice tra le piastre il fluido scorre in modo turbolento, aumentando lo scambio termico.
- Poiché solo i bordi delle piastre sono a contatto con l'atmosfera, non è necessaria un'isolazione aggiuntiva.
Svantaggi:
- Con gas e fluidi a bassa pressione è difficile ottenere portate elevate.
- Non adatto a pressioni molto elevate: le guarnizioni di tenuta si danneggiano ad alta pressione e temperatura.
L'efficienza termica dipende direttamente dal disegno della matrice e dalle proprietà del fluido che scorre sulla superficie della matrice. La direzione del controflusso e il layout dell'area termica della matrice, insieme alla lunghezza stretta o ampia della matrice, sono i parametri chiave che determinano le prestazioni di uno scambiatore a piastre in una specifica applicazione.
2.3. Analisi delle perdite di carico
Ipotesi generali di sistema:
- Lo scambiatore opera in regime stazionario (steady-state).
- Le perdite di calore attraverso mantello o telaio sono molto piccole e trascurabili.
- Non è richiesta una fonte di energia termica esterna.
- In flussi paralleli e in controflusso i valori istantanei di temperatura sono regolari.
- La costante di resistenza termica non varia lungo l'intero scambiatore.
- Non avviene alcun cambiamento di fase dei fluidi all'interno dello scambiatore.
- In assenza di perdite, lo scambio termico procede in modo bilanciato.
- Valori costanti e indipendenti dal tempo di temperatura e posizione garantiscono lo scambio termico globale e locale.
- Il flusso deve essere stazionario e isotermico; le proprietà del fluido sono indipendenti dal tempo.
- Le temperature di ingresso e uscita influenzano solo proprietà caratteristiche come la densità.
- I punti di pressione sono indipendenti dalla direzione del flusso del fluido.
- Le forze esterne che agiscono sullo scambiatore sono solo la gravità e, se presenti, i campi elettrici e magnetici.
- Secondo il principio di Bernoulli, il flusso deve avvenire lungo la linea di corrente.
- L'attrito superficiale (rugosità della superficie) si considera uniforme lungo tutta la matrice.
Componenti della perdita di carico:
- Con fluidi incomprimibili le perdite di carico sono proporzionali all'attrito superficiale e al percorso del flusso.
- La perdita di carico del fluido è direttamente correlata al coefficiente di scambio termico, al metodo operativo, alla dimensione della piastra e alle proprietà meccaniche del materiale.
- Le perdite di carico possono essere calcolate dalle caratteristiche dello scambiatore: perdita totale lungo la matrice, collegamenti dei tubi di ingresso e uscita, teste e collettori; anche le restrizioni nei collegamenti causano cadute di pressione.
Conclusione
Grazie alla flessibilità di progettazione e alla capacità di evoluzione, gli scambiatori di calore possono essere progettati in base alle esigenze dell'utente, con intervalli di riscaldamento e raffreddamento regolabili. Queste caratteristiche ne determinano l'ampio utilizzo nei settori energia, petrolchimica, logistica, ventilazione e raffreddamento.
