Scambiatore di calore a piastre

Gli scambiatori di calore a piastre si impiegano per trasferire calore da un fluido a temperatura alta ad uno a temperatura più bassa, solitamente il trasferimento di calore avviene con fluidi in controcorrente e lo scambio avviene senza che i due fluidi vengano in contatto, lo scambio avviene tramite un processo di conduzione tra pareti a contatto tra loro, la geometria costruttiva implica che la superficie di scambio termico sia la più elevata possibile.

Scambiatore Alfa Laval

L'impiego dello scambio termico tra due fluidi trova larga applicazione nei più svariati settori, il principio su cui si basa il processo è il recupero energetico dove possibile, quando fumi o liquidi ad alta temperatura percorrono intercapedini o fasci tubieri cedono calore, se tale forma di energia non viene sfruttata si perde a contatto con l'atmosfera e la conseguenza è solo il riscaldamento dell'atmosfera.

Il recupero del calore può avvenire tra due liquidi, tra due gas o tra liquido e gas, esempi di scambiatori a fascio tubiero si hanno ad esempio nel recupero dell'energia termica da camini (siano essi industriali o civili), la geometria penalizza il recupero perché le superfici di contatto devono essere le più ampie possibili e spesso si recupera solo parte del calore, nelle abitazioni l'utilizzo di caldaie a condensazione sfrutta il recupero dei gas caldi aumentando il rendimento energetico della caldaia stessa.

Recuperi dell'energia termica si hanno in impianti destinati a generare energia elettrica da fonti rinnovabili (ma non solo) come gli impianti di cogenerazione, la produzione di energia elettrica avviene per combustione di sostanze solide, gassose o liquide di origine vegetale (non sempre, parte degli impianti di cogenerazione funziona a gas metano o GPL), durante il processo si generano gas surriscaldati che vanno in atmosfera e se non si recupera il calore (si arriva a temperature anche di 600°C) si perde una parte importante della cogenerazione, il calore riutilizzato può garantire importanti volumi di acqua calda per ora e fornire acqua calda sanitaria ad abitazioni vicine, la vendita di acqua calda cosi prodotta ha un costo minore per l'utilizzatore.

Nei casi in cui si può ottimizzare il trasferimento di calore tra due fluidi viene impiegato lo scambiatore a piastre, l'impiego di piastre accoppiate tramite guarnizioni o saldature presentano dei coefficienti di scambio termico elevati, i vantaggi sono molteplici:

• La superficie di contatto è maggiore rispetto al fascio tubiero
• Risparmio sulla costruzione e sull'ingombro
• Facilità di trasporto
• Vengono progettati per essere smontati e puliti

La progettazione di uno scambiatore è rivolta alla sottrazione della maggiore quantità di calore da un fluido caldo, se deve essere portata a 90°C un determinato volume di acqua da una sorgente a 300°C parte dell'energia termica sarà ceduta all'ambiente o riutilizzata per altri impieghi, se la temperatura di 90°C deve essere raggiunta ma lo scambio termico avviene con una sorgente a soli 50°C allora solo parte dell'energia termica necessaria a riscaldare l'acqua sarà data dallo scambiatore.

Se si conosce la temperatura di ingresso del fluido termovettore è possibile dimensionare uno scambiatore, l'impiego dello scambio in controcorrente diminuirà la temperatura del fluido termovettore ed aumenterà quella del fluido da riscaldare.

Un altro dato da considerare è la quantità di fluido da riscaldare, la massa è una variabile importante, quando aumenta bisogna aumentare il periodo di contatto o la superficie.

Per i calcoli necessari al dimensionamento si deve introdurre il concetto di Entalpia (H), tale termine è una funzione di stato di un sistema ed esprime la quantità di energia che un sistema può scambiare con l'ambiente, per ottenere l'equazione di bilancio energetico dei due fluidi è necessario scrivere l'equazione:

Q = m(H₂-H₁)

dove H₂ ed H₁ sono i valori entalpici dei due fluidi.

Per un gas ideale la variazione di entalpia è:

dh = C_pdT

con C_p calore specifico a pressione costante

Per disposizione controcorrente

Per il fluido freddo l'equazione di bilancio energetico é:

Q_freddo = m_f*c_f*(T_f1-T_f2) = C_f (T_f1-T_f2)

Con 1 e 2 si indicano le sezioni dello scambiatore

m_f è la portata massica del fluido freddo

c_f è il calore specifico del fluido caldo

C_f è la capacità termica della corrente fredda

Il fluido caldo perderà energia termica nel suo percorso e quindi T₂ sarà minore di T₁:

Q_caldo = m_c*c_c*(T_c1-T_c2) = C_c (T_c1-T_c2)

m_c è la portata massica del fluido caldo

c_c è il calore specifico del fluido caldo

C_c è la capacità termica della corrente calda

La potenza termica effettivamente scambiata conoscendo l'efficacia dello scambiatore è data da:

Q_max =C_min (T_c,e-T_f,e)

Con C_min si intende il valore più piccolo tra le capacità termiche delle due correnti.

Per dimensionare uno scambiatore è necessario conoscere l'area di scambio e può essere ricavata da un equazione di progetto:

S = Q / (Ud*ΔT)

dove S è la superficie

Ud un coefficiente

ΔT la differenza di temperatura