Diversi processi industriali si affidano agli scambiatori di calore per trasferire in modo efficiente il calore tra diversi mezzi. Ne esistono di diversi tipi, ognuno progettato per usi e applicazioni specifiche. Conoscere i diversi tipi di attrezzature di questo tipo può aiutarti a scegliere quella più adatta alle tue particolari esigenze.

Punti di forza

• Il trattamento chimico e la produzione di energia sono applicazioni comuni per gli scambiatori di calore a fascio tubiero.

• Gli scambiatori di calore a piastre hanno un ingombro ridotto e un’elevata efficienza, che li rende adatti all’uso nei sistemi HVAC e di refrigerazione.

• Gli scambiatori di calore raffreddati ad aria dissipano il calore utilizzando l’aria ambiente e sono utilizzati principalmente nelle raffinerie e nelle centrali elettriche.

• Gli scambiatori di calore a doppio tubo sono dispositivi semplici, spesso utilizzati quando è necessario riscaldare l’olio a bassi livelli di scala.

• Questi scambiatori recuperano l’energia e sono quindi ideali come scambiatori di calore rigenerativi.

Scambiatori di calore a fascio tubiero

1. Design e struttura

I fasci di tubi sono alloggiati in un contenitore a forma di conchiglia che consente il movimento del calore tra due fluidi. Il liquido caldo viene fatto circolare all’interno dei tubi mentre il fluido freddo passa intorno ad essi all’interno del guscio. Questo design aiuta a garantire un trasferimento efficiente del calore ed è ampiamente applicato in molti settori.

2, Applicazioni

Le applicazioni più comuni di questi tipi di scambiatori di calore sono le centrali elettriche, la raffinazione e i processi chimici. Inoltre, trovano impiego anche nei sistemi HVAC e nelle installazioni marine. La loro adattabilità li rende adatti a diverse attività di gestione termica.

3. Vantaggi e svantaggi

Vantaggi:

• Grande efficienza nel trasferire il calore

• Adatto a condizioni di alta pressione

• Unità facilmente pulibili e manutenibili

Svantaggi:

• Più spazio occupato rispetto ad altri tipi

• Costi iniziali elevati.

• Possibile guasto al tubo.

Nonostante le grandi dimensioni e i costi più elevati, gli scambiatori di calore a fascio tubiero rimangono la spina dorsale del trasferimento di calore industriale grazie al loro equilibrio tra efficienza e versatilità.

Scambiatori di calore a piastre

1, Costruzione e principio di funzionamento

Lo scambiatore di calore a piastre funziona secondo un principio diverso: le piastre metalliche vengono utilizzate per scambiare calore tra due fluidi. Le piastre offrono un’ampia superficie attraverso la quale i fluidi passano. Questo design permette di migliorare il trasferimento di calore mantenendo le dimensioni compatte.

2, usi comuni

I tipi di piastre si trovano comunemente nei settori HVAC, refrigerazione, industria o in quelli adiacenti come la lavorazione dei prodotti chimici. Quando c’è bisogno di un’applicazione in cui il flusso diretto avviene in uno spazio ridotto, diventa essenziale impiegare le piastre, poiché hanno più di un utilizzo per una transizione energetica efficiente (Szargut et al., 2015).

3, Pro e contro

Vantaggi:

• L’ampia superficie garantisce un’elevata efficacia.

• Occupa meno spazio rispetto alle altre tipologie (Mario & Rayner 2018).

• Questo sistema può essere facilmente pulito/manutenuto grazie alla sua natura (Hassan & Fazal 2010).

Svantaggi:

• Non può essere utilizzato in applicazioni ad alta pressione.

• Può perdere se non viene mantenuto correttamente (Moran et al., 2011).

• Gli scambiatori di calore a piastre sono una soluzione flessibile ed efficace in molti contesti industriali, ma hanno bisogno di controlli regolari per garantire un funzionamento ottimale.

Scambiatori di calore raffreddati ad aria

1, Meccanismo di trasferimento del calore

Gli scambiatori di calore raffreddati ad aria funzionano trasferendo il calore da un fluido all’aria circostante. Durante questa procedura, le ventole vengono utilizzate per aumentare il flusso d’aria sulle superfici di scambio termico in modo da migliorare il raffreddamento. L’efficienza del trasferimento di calore dipende da parametri come la velocità dell’aria, le dimensioni e la differenza di temperatura tra il fluido e l’aria.

2, Industrie che utilizzano sistemi raffreddati ad aria

Gli scambiatori di calore raffreddati ad aria sono molto popolari grazie alla loro economicità ed efficienza complessiva in diversi settori, come ad esempio:

• Centrali elettriche

• Impianti petrolchimici

• Raffinerie

• Sistemi HVAC

Questi sistemi sono particolarmente utili nelle aree in cui l’acqua è scarsa o costosa.

3. Benefici e limiti

I vantaggi degli scambiatori di calore raffreddati ad aria includono:

• Costi operativi inferiori

• Riduzione dell’uso dell’acqua

• Impatto ambientale minimo

Tuttavia, ci sono anche degli svantaggi:

• Richiede più spazio rispetto a quelli raffreddati ad acqua

• Dipende dalla temperatura ambiente

• Potenziale rumore dovuto al funzionamento della ventola.

Gli scambiatori di calore raffreddati ad aria giocano un ruolo importante in diversi processi industriali perché forniscono una soluzione efficace e sostenibile per le loro esigenze di riscaldamento.

Scambiatori di calore a doppio tubo

1、Configurazione e funzionamento

Il doppio tubo dimpleflo (noto anche come “tubo nel tubo”) è la configurazione più semplice e robusta che si possa trovare in uno scambiatore di calore igienico. È costituito da un tubo interno all’interno di un altro esterno, che permette a due fluidi di scorrere in direzioni opposte, facilitando così un efficiente trasferimento di energia termica.

2. Applicazioni tipiche

Nelle situazioni in cui lo spazio è limitato e serve un dispositivo di base economico, gli scambiatori di calore a doppio tubo trovano la loro applicazione. Questi possono essere tipicamente trovati, tra gli altri, in:

• Elaborazione chimica,

• Produzione di alimenti e bevande,

• Industria del petrolio e del gas.

3. Punti di forza e di debolezza

Le configurazioni a doppio tubo sono state preferite per la loro facilità di utilizzo in caso di problemi di manutenzione.

Punti di forza:

• Design costruttivo semplice,

• Un approccio economicamente vantaggioso,

• Facile processo di igienizzazione,

Punti deboli:

• Area di trasferimento del calore limitata,

• Non è fattibile per operazioni su larga scala,

• Può sporcare alcuni liquidi.

Scambiatori di calore rigenerativi

1, Funzionalità e design

Altri nomi per gli scambiatori di calore rigenerativi sono scambiatori di calore a recupero o ad accumulo. Questi dispositivi trasferiscono l’energia termica da un fluido caldo a uno freddo dopo averla immagazzinata dal primo; questa operazione viene ripetuta più volte all’interno del ciclo e prevede l’impiego di un determinato mezzo di trasferimento del calore come una matrice o un letto di particelle. Su quali basi viene scelto questo approccio? Può trattarsi di una modellazione statica o dinamica, a seconda del sistema.

2, Scenari d’uso

Le centrali elettriche, i processi chimici, i sistemi HVAC e così via sono alcune delle aree in cui questi tipi di scambiatori di calore vengono utilizzati più frequentemente, poiché la loro qualità è solitamente elevata e il loro costo è estremamente basso. Questo tipo di apparecchiatura è più adatta nei casi in cui c’è una differenza di temperatura apprezzabile tra i fluidi.

3. Vantaggi e svantaggi principali

Vantaggi:

• Grande efficienza termica

• Risparmio energetico

• Riduzione delle spese operative

Svantaggi:

• Costi iniziali più elevati

• Complessità di progettazione e manutenzione

• Rischio di affaticamento termico

Ciò significa che senza gli scambiatori di calore rigenerativi molti processi industriali sarebbero stati impossibili grazie al suo equilibrio tra efficacia e redditività.

Scambiatori di calore compatti

1. Caratteristiche del design

Gli scambiatori di calore compatti sono progettati per massimizzare la superficie di trasferimento del calore in uno spazio ridotto. Sono efficienti e in molti casi si rendono necessari quando le dimensioni e la massa sono importanti. In pratica, hanno numerosi piccoli canali o piastre strettamente distanziati che favoriscono un efficace scambio di calore.

2. Settori di applicazione

Gli scambiatori di calore compatti trovano applicazione in diversi settori perché consentono di risparmiare spazio. Alcune delle principali aree di applicazione includono:

• Radiatori per il raffreddamento dell’acqua e dell’olio nel settore automobilistico

• Applicazioni di condizionamento dell’aria

• Recupero del calore di processo e di scarto

• Sistemi di conversione dell’energia termica oceanica

3. Vantaggi e sfide

Vantaggi	Sfide
Alta efficienza	Potenziale di incrostazione
Risparmio di spazio	Costo iniziale più elevato
Leggero	Complessità della manutenzione

Scambiatori di calore a contatto diretto

1, Meccanismo di funzionamento

Negli scambiatori di calore a contatto diretto, due flussi di fluido entrano in contatto fisico tra loro, consentendo il riscaldamento senza la presenza di pareti di separazione. Questo metodo è molto efficiente per alcune applicazioni in cui è consentita la miscelazione dei fluidi.

2. Applicazioni pratiche

Gli scambiatori di calore a contatto diretto sono comunemente utilizzati in:

• Torri di raffreddamento (acqua)

• Sistemi di lavaggio a gas

• Umidificatori

3, Pro e contro

Pro:

• Alta efficienza termica

• Costo inferiore grazie a un design più semplice

• Efficienza per operazioni su larga scala

Cons:

• Limitato ai casi in cui c’è miscelazione di fluidi

• Rischio di contaminazione

• Le proprietà del fluido devono essere controllate con attenzione.

Lo scambiatore di calore a contatto diretto soddisfa le situazioni che richiedono un’elevata efficienza ed economicità, ma è necessario mantenere la piena compatibilità dei fluidi.

Conclusione

Riflessioni finali: gli scambiatori di calore sono fondamentali in molte applicazioni industriali e domestiche. Conoscere i diversi tipi di scambiatori di calore, come quelli a fascio tubiero, a piastre e ad aria, aiuta a scegliere il migliore in base alle esigenze specifiche e alle condizioni circostanti. Ciascuna tipologia presenta vantaggi e svantaggi che rendono essenziale considerare fattori quali l’efficacia, il costo e la manutenzione durante la scelta di un sistema di scambio termico adatto a un determinato scopo. Le industrie possono ottimizzare i processi di gestione termica utilizzando le apparecchiature di scambio termico più adatte, ottenendo così prestazioni migliori e risparmiando energia.

DOMANDE FREQUENTI

Q1. Che cos’è uno scambiatore di calore?

A1. Un dispositivo che trasferisce il calore tra due o più fluidi senza mescolarli. È comunemente utilizzato nei sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento (HVAC).

Q2. Come funziona uno scambiatore di calore a fascio tubiero?

A2. È composto da una serie di tubi; una serie contiene il fluido caldo e l’altra il fluido freddo. Il calore viene trasferito attraverso le pareti del tubo, senza alcun contatto diretto tra i liquidi.

Q3. Quali sono i vantaggi degli scambiatori di calore a piastre?

Gli scambiatori di calore a piastre A3 sono apparecchi semplici e poco ingombranti che presentano elevate perdite di carico per una miscela dalle proprietà vantaggiose.

D4.In quali settori industriali sono comunemente utilizzati gli scambiatori di calore raffreddati ad aria?

A4.Gli scambiatori di calore raffreddati ad aria sono spesso presenti in impianti di generazione di energia, petrolchimici e raffinerie dove l’acqua è scarsa o costosa.

Q5.Qual è il principale vantaggio dell’utilizzo di scambiatori di calore a doppio tubo?

A5.Gli scambiatori di calore a doppio tubo hanno applicazioni su piccola scala con una buona efficienza su un’ampia gamma di portate di fluidi.

Q6.Gli scambiatori di calore rigenerativi sono efficienti dal punto di vista energetico?

Sì, sono efficienti dal punto di vista energetico perché recuperano il calore di processo residuo dai gas di scarico/fluidi e lo riutilizzano per preriscaldare il flusso di alimentazione in entrata, riducendo così il consumo energetico complessivo dell’impianto.