Gli scambiatori di calore sono dispositivi essenziali in molti settori industriali, specialmente per il raffreddamento di impianti idraulici o di lubrificazione. Un’applicazione molto comune degli scambiatori di calore è il loro utilizzo per il raffreddamento di impianti idraulici o di lubrificazione, ad esempio su macchine utensili e operatrici che utilizzano azionamenti idraulici e impianti oleodinamici per gli organi in movimento.
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.
Tipi di Scambiatori di Calore a Piastre
Esistono molti tipi di scambiatori di calore a piastre, con design diversi destinati a servire al meglio diversi tipi di applicazioni e condizioni di processo specifiche.
- Scambiatori di calore a piastre saldobrasati (BPHE - Brazed Plate Heat Exchanger): offrono numerosi vantaggi.
- Scambiatori di calore a piastre guarnizionate (GPHE - Gasketed Plate Heat Exchanger): In uno scambiatore di calore a piastre guarnizionate, le piastre sono dotate di guarnizioni elastomeriche che sigillano i canali e dirigono il materiale in canali alternati. Il pacco piastre è contenuto all'interno di un telaio costituito da una piastra fissa ed una piastra di pressione mobile.
Principi di Funzionamento
In tutti questi settori, l’olio utilizzato per gli attuatori idraulici o semplicemente per la lubrificazione assorbe il calore ceduto dalle pompe e/o dal movimento meccanico generato. Il calore accumulato dall’olio idraulico deve essere smaltito affinché l’olio mantenga le adeguate proprietà lubrificanti e di viscosità, in quanto una sua alterazione farebbe venir meno la corretta azione lubrificante con gravi danni per macchinari e impianti. Tutti gli impianti di questo genere sono pertanto dotati di un sistema di raffreddamento dell’olio mediante scambiatore di calore.
La temperatura dell’olio di un circuito idraulico aumenta per effetto delle perdite dovute all’attrito durante il flusso nei condotti e, soprattutto, a causa delle perdite di rendimento nelle trasformazioni energetiche compiute. Anche le caratteristiche intrinseche dell’olio usato danno un contributo significativo. E’ qualcosa di molto simile all’effetto Joule per un circuito elettrico. Alla dissipazione in calore corrispondono diminuzione di energia: potenziale, di velocità o di pressione; l’energia corrispondente rimane nel sistema ma non è utilizzabile.
Parametri Chiave
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.
- La 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. 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.
- 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.
- Il calore specifico (cρ): è la quantità di energia necessaria per aumentare di un grado centigrado 1kg di sostanza.
- La viscosità: misura la facilità di scorrimento di un liquido. Minore è la viscosità, maggiore sarà la facilità di scorrimento.
- 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.
Ogni parametro dell'equazione può influire sulla scelta dello scambiatore di calore.
Materiali
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.
Considerazioni sul Progetto
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 valore Rf 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 = Kc x Rf). 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.
Scambiatori di Calore a Piastre vs. Scambiatori a Fascio Tubiero
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.
Negli impianti oleodinamici fino a pochi anni fa si era soliti impiegare scambiatori di calore a fascio tubiero, o scambiatori ad aria. Per il raffreddamento di olio idraulico recentemente hanno invece preso sempre più piede gli scambiatori a piastre, sia di tipo saldobrasato che ispezionabile. Il principale vantaggio che offrono è il fatto che consentono l’incrocio di temperature, diversamente da quel che può fare uno scambiatore a fascio tubiero. Non occorre pertanto un raffreddamento spinto, e qui lo scambiatore di calore a piastre diventa vantaggioso in quanto consente di utilizzare acqua di raffreddamento a temperature più elevate. Non serve quindi disporre di acqua di raffreddamento a 15-20° C, ma è sufficiente avere a disposizione acqua di torre a 30° C, per ottenere lo stesso effetto di raffreddamento. In aggiunta, con gli scambiatori a piastre, potendo incrociare le temperature, è possibile impiegare meno acqua per ottenere lo stesso raffreddamento.
Problematiche e Soluzioni
Sempre nel caso del raffreddamento ad acqua, occorre inoltre pensare alla possibile rottura meccanica di un tubo e di una piastra, che porterebbe alla miscelazione di acqua e olio. Se l’acqua entra nel circuito dell’olio, i danni causati alle macchine asservite ai circuiti idraulici possono essere molto gravi se non addirittura irrecuperabili.
Per evitare questo genere di problemi, si utilizza un metodo molto semplice, ovvero mantenere la pressione dell’olio circolante nel circuito idraulico maggiore di quella dell’acqua presente nel circuito di raffreddamento. In questo modo nella eventualità di una rottura può al limite avvenire un trafilamento di olio nell’acqua, che verrà intercettato da un calo del livello di olio nel serbatoio, monitorato da appositi livellostati.
Manutenzione degli Scambiatori di Calore
La pulizia e la manutenzione dello scambiatore di calore sono attività indispensabili per mantenere la sua efficienza. Una manutenzione inadeguata o la sua assenza possono portare a danni dello scambiatore di calore. Il problema più comune è la formazione di calcare e depositi, che si accumulano sulla superficie dello scambiatore. Queste impurità possono causare una riduzione dell’efficienza dello scambiatore di calore.
Pertanto, la pulizia regolare è necessaria per garantire un funzionamento corretto ed efficiente. La rimozione di calcare e depositi aiuterà a ripristinare la piena efficienza dello scambiatore di calore e a garantirne la lunga durata.
Indipendentemente dal fatto che si tratti di uno scambiatore di calore a piastre o di un modello a fascio tubiero, la manutenzione di questi dispositivi è fondamentale per garantire la loro piena funzionalità e prolungarne la durata - anche se gli scambiatori a fascio tubiero hanno decisamente una minore tendenza ad accumulare depositi - quindi è possibile eseguire questa operazione meno frequentemente.
Frequenza della Pulizia
✅ La frequenza con cui è necessario pulire lo scambiatore di calore dipende dall’intensità d’uso e dalle condizioni di lavoro. Si consiglia di effettuare la pulizia almeno una volta ogni due anni, come minimo indispensabile; tuttavia, la raccomandazione più comune è di una volta all’anno per gli impianti di riscaldamento centralizzato e almeno una volta ogni anno e mezzo per gli impianti di acqua calda sanitaria. Se lo scambiatore di calore è sottoposto a lavoro intenso o se si nota un calo dell’efficienza, potrebbe essere necessario pulirlo più frequentemente rispetto a ogni due anni, specialmente se è in uso già da diversi anni. La pulizia regolare consente di mantenere lo scambiatore di calore in buone condizioni e di garantirne l’efficienza.
Metodi di Pulizia
Sì, è possibile pulire lo scambiatore di calore autonomamente, utilizzando il metodo di lavaggio idrodinamico con acqua. L’acqua con l’aggiunta di un anticalcare è un agente efficace per rimuovere lo sporco accumulato, i depositi e le impurità dallo scambiatore di calore. Grazie alla pressione elevata, l’acqua raggiunge anche i punti difficili da pulire, garantendo una pulizia efficace.
Per pulire lo scambiatore di calore è necessario un agente adeguato. Un forte getto d’acqua è efficace per rimuovere piccoli depositi e sporco. Tuttavia, in caso di contaminazioni più gravi, quando lo scambiatore è in funzione già da diversi anni, potrebbe essere necessario un trattamento chimico. A questo scopo si utilizzano agenti specifici che dissolvono efficacemente i depositi difficili da rimuovere dallo scambiatore di calore.
La pulizia chimica delle unità più grandi di scambiatori a piastre è un processo più avanzato che richiede attrezzature specialistiche e competenze.
Tipi di Scambiatori e Metodi di Pulizia
Non tutti gli scambiatori di calore a piastre possono essere puliti allo stesso modo. La pulizia di questi dispositivi varia in base alla loro struttura, in particolare al tipo di collegamento tra le piastre:
- Scambiatori saldati (connessione non smontabile): in questo caso non è possibile smontare lo scambiatore e rimuovere le singole piastre senza danneggiare il dispositivo. Pertanto, l’unico metodo per pulire gli scambiatori a piastre saldati è la pulizia chimica utilizzando agenti per rimuovere calcare e sporco dall’interno. Solitamente, questa pulizia viene effettuata con una soluzione al 5% di acido fosforico o ossalico. Il flusso di risciacquo dovrebbe essere invertito rispetto alla direzione del normale utilizzo dello scambiatore.
- Scambiatori smontabili: Il primo passo nella pulizia di uno scambiatore a piastre con guarnizioni è lo smontaggio delle piastre (nel caso di uno scambiatore smontabile, non saldato), che vengono poi pulite con prodotti chimici specifici. Successivamente, le piastre vengono rimontate.
Prevenzione
La prevenzione della formazione di calcare all'interno dello scambiatore, e più in generale in tutto l'impianto, è fondamentale, poiché il calcare rappresenta uno dei depositi più pericolosi per il nostro sistema di riscaldamento.✅ Se vivi in una zona con acqua dura, considera l'installazione di dispositivi senza manutenzione nel sistema idrico per proteggerlo.
Manutenzione Predittiva
Interessantissime le possibilità di manutenzione predittiva (diagnostica precoce), attraverso l’analisi periodica dell’olio: esistono correlazioni precise tra i tipi di inquinanti, la relativa concentrazione, la progressione della medesima e il grado di affidabilità del sistema. Questa attività è di norma affidata a Specialisti esterni ed è normalmente utilizzata per tutti i tipi di olio (lubrificanti, isolanti nei trasformatori etc.).
Esempio Pratico
Tra le numerose applicazioni realizzate in questo settore, vediamo un caso esemplificativo di sistema di raffreddamento realizzato per un cliente che opera nel comparto della meccanica di precisione, realizzando macchinari di lavorazione a elevata precisione e ripetibilità. Nella fattispecie, abbiamo realizzato un sistema di raffreddamento integrato a elevata efficienza, che prevede l’impiego di una serie di apparecchiature per garantire il corretto livello di temperatura, sia dell’olio idraulico che dell’olio da taglio. Il sistema di avvale di un gruppo frigorifero centralizzato, condensato ad aria, quindi con un circuito perfettamente sigillato, senza consumo di acqua.
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