Che cos’è uno scambiatore di calore e a cosa serve?
Gli scambiatori di calore sono apparecchiature che permettono lo scambio di calore tra due fluidi a temperatura differente con maggiore facilità.
La loro applicazione è davvero vasta: si va dal riscaldamento e refrigerazione delle case, fino ai processi chimici ed alla produzione di energia.
Il processo alla base del quale funzionano gli scambiatori di calore è il seguente: il calore viene scambiato per convenzione in entrambi i fluidi e per conduzione attraverso il mezzo di separazione tra di essi.
Quindi, a differenza delle camere di miscelazione, i fluidi non si mischiano tra loro.
Facciamo un esempio pratico per capire meglio a cosa serve uno scambiatore di calore: certamente la maggior parte di chi sta leggendo sa cos’è una caldaia o un impianto di riscaldamento per la casa. Ebbene, esso ha la funzione di bruciare il gas naturale, trasformandolo in una serie di getti di gas caldi, i quali raggiungono l’acqua che scorre nei tubi. Essa, attraverso appunto lo scambiatore di calore, si riscalderà mentre i getti di gas si raffredderanno.
Pertanto, ben si intende che gli scambiatori lavorano grazie al principio che vuole il trasferimento di calore da un fluido all’altro senza che questi entrino in contatto.
Come si possono classificare gli scambiatori di calore?
Gli scambiatori di calore sono realizzati secondo soluzioni costruttive differenti. Cerchiamo, quindi, di capire quali sono i diversi tipi di scambiatori di calore.
Lo scambiatore “a doppio tubo”
Probabilmente è lo scambiatore di calore più semplice. Esso consiste in due tubi concentrici di diametri diversi in cui un fluido scorre nel tubo di diametro inferiore mentre l’altro prosegue nel condotto anulare tra le due tubazioni.
Da esso possono derivare due diversi tipi di flussi:
- l’equi corrente, se i fluidi entrano nello scambiatore dallo stesso lato e, quindi, lo percorrono nello stesso verso;
- il controcorrente, che si ha nel momento in cui i fluidi percorrono lo scambiatore in direzioni opposte poiché entrano da lati opposti.
Lo scambiatore compatto
È un tipo di scambiatore la cui peculiarità è il rapporto alto tra la superficie di scambio ed il volume dello scambiatore. Pensiamo, ad esempio, ai radiatori delle automobili. Usualmente, in tali scambiatori i due fluidi viaggiano in direzioni perpendicolari, tant’è che essi sono anche definiti “a flussi incrociati”.
Lo scambiatore a tubi e mantello
Con buona probabilità, è il tipo di scambiatore maggiormente utilizzato nelle applicazioni industriali. Il suo nome prende spunto dalla sua composizione: un gran numero di tubi, talvolta anche centinaia, ed un mantello cilindrico che li contiene, appunto.
Il meccanismo dello scambio termico tra i fluidi si avvale anche di diaframmi perpendicolari all’asse del mantello, che non solo migliorano lo scambio termico ma consentono il mantenimento della distanza originaria tra i tubi stessi.
Lo scambiatore a piastre
Tali scambiatori sono costituiti da lastre sottili di metallo in cui sono presenti dei fori per permettere il passaggio dei fluidi attraverso dei piccoli condotti. I lati della piastra sono a contatto coi fluidi caldi e freddi in maniera alternata: quindi, i fluidi caldo e freddo fluiscono alternativamente, al fine di realizzare delle condizioni ottimali di scambio termico.
Lo scambiatore rigenerativo
Anch’esso presenta un passaggio alternato del fluido caldo e di quello freddo. Distinguiamo lo scambiatore rigenerativo statico da quello dinamico:
- il primo, lo statico, prevede una struttura porosa con una grande capacità termica come una maglia di fili in materiale ceramica: attraverso di essa vengono fatti passare alternativamente il fluido caldo e quello freddo. Inizialmente il processo prevede il trasferimento del calore dal fluido caldo al rigeneratore e successivamente al fluido freddo. In pratica, la struttura porosa del rigeneratore è utilizzata come mezzo di immagazzinamento temporaneo di calore.
- Il secondo, detto dinamico, è composto da un tamburo rotante in cui v’è un flusso continuo dei fluidi caldo e freddo. Nell’operazione di rotazione, il tamburo viene in contatto alternativamente con il fluido caldo e quello freddo, facendo in modo una volta di immagazzinare calore da un fluido e successivamente di cederlo all’altro. In pratica, anche in questo caso, il tamburo ha lo scopo di rappresentare un mezzo per l’immagazzinamento di energia termica.
Le incrostazioni come fattore determinante nelle prestazioni degli scambiatori di calore
Uno scambiatore di calore può presentare, nel tempo, minori performance. Ciò succede a causa dell’accumulo di materie di varia natura nelle pareti degli stessi: tali depositi vanno ad opporre una resistenza allo scambio termico, causandone, appunto, una riduzione.
Al fine di valutare la portata negativa di tali incrostazioni, si tiene conto del fattore di incrostazione Rd che va, appunto, ad attribuire un valore a tale resistenza termica causata dalle incrostazioni.
Per meglio capire di cosa parliamo, possiamo prendere l’esempio di una teiera: dopo che essa ha funzionato a lungo, si può notare solitamente un deposito di materiale calcareo nella parte dove bolle l’acqua, specie se quest’ultima è particolarmente “dura”.
Allo stesso modo, negli scambiatori di calore, vengono a crearsi delle incrostazioni causate dal deposito di particelle solide di sostanze presenti nei fluidi che viaggiano nello scambiatore di calore.
L’effetto è duplice: il passaggio è meno libero e la modalità di scambio termico è ostacolata.
Al fine di evitare tali problemi, negli impianti industriali e di produzione di energia, l’acqua è trattata prima di essere messa in circolazione: in particolare, da essa vengono fatte precipitare le particelle solide, proprio per evitarne l’accumulo successivo.
Nei processi chimici industriali, i processi di corrosione ed incrostazione chimica sono fenomeni che pure hanno notevole peso sul fattore di incrostazione. I rivestimenti dei tubi metallici col vetro oppure la sostituzione con tubazioni in plastica possono rappresentare una valida alternativa per ovviare al problema.
Talvolta, il fattore incrostazione è causato anche dalla crescita di alghe nei fluidi caldi: parliamo in tal caso di incrostazione biologica. Solitamente, l’ausilio preventivo di trattamenti chimici può far sì che il problema venga evitato.
S’è capito, quindi, che il fattore incrostazione è determinante per l’efficienza e l’efficacia degli scambiatori di calore. Pertanto, esso sarà tenuto in considerazione anche durante la fase di progettazione dello scambiatore di calore nonché nella scelta dello stesso.
Inoltre, il fattore incrostazione rappresenterà anche una spesa da tenere in debita considerazione poiché ci saranno costi legati alla pulizia periodica degli scambiatori di calore ed al conseguente fermo-macchina.
Si consideri, infine, che il fattore di incrostazione dipende dalla temperatura di esercizio e dalla velocità dei fluidi così come dalla durata dell’esercizio: in particolare, l’incrostazione aumenta al crescere della temperatura e al diminuire della velocità.
Quali sono i fattori di scelta di uno scambiatore di calore?
Il materiale con il quale è costruito uno scambiatore di calore è uno dei fattori determinanti sia per la sua realizzazione che per una sua eventuale scelta. In particolare, considerazioni molto attente circa la scelta del materiale devono essere fatte se l’utilizzo dello scambiatore ha a che fare con una pressione che sale oltre 70 bar e con una temperatura superiore a 550 °C.
La scelta di uno scambiatore è, inoltre, influenzata anche da altri fattori che andiamo solo ad elencare. Essi sono:
- la tenuta (in caso si lavori con fluidi tossici o anche preziosi e costosi);
- la facilità di impiego;
- i bassi costi di manutenzione;
- la sicurezza;
- l’affidabilità.
