Tutte le macchine industriali che utilizzano gli impianti oleodinamici generano, attraverso le pompe dell’olio, una grande quantità di calore che deve essere smaltito. Per questo motivo è fondamentale che ci siano gli scambiatori di calore che si occupano del raffreddamento dell’olio. 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.
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.
Nel dettaglio, ci sono due tipologie di scambiatori: acqua-olio e aria-olio. Gli scambiatori aria-olio e acqua-olio sono entrambi degli scambiatori di calore che si occupano dello scambio di energia termica di un fluido termovettore con altri di temperature diverse.
Scambiatori aria-olio
Quando si parla di scambiatori aria-olio si fa riferimento a dei dispositivi che vengono utilizzati per avviare il processo di raffreddamento dei circuiti oleodinamici attraverso l’utilizzo dell’aria come fluido raffreddante. La differenza principale riguarda il funzionamento; infatti gli scambiatori aria-olio vengono impiegati per il raffreddamento di olio idraulico attraverso l’utilizzo di aria che viene soffiata da una ventola sulle macchine che lavorano in modo continuativo. Inoltre gli scambiatori aria-olio vengono impiegati quando si necessita di prestazioni refrigeranti minori.
Gli scambiatori aria-olio vengono costruiti con una massa radiante in alluminio, che si ottiene attraverso un processo di saldobrasatura sottovuoto. In questo modo è possibile garantire un’ottima resa termica e una migliore resistenza alle pressioni.
Principi di funzionamento di uno scambiatore di calore a flusso incrociato
Uno scambiatore di calore a flusso incrociato è composto principalmente da una massa radiante e da una ventola. Il fluido da raffreddare scorre attraverso i canali della massa, la ventola muove l’aria attraverso il cooler. Un dimensionamento funzionale dipende da un mix di diversi elementi, la cui rilevanza può variare a seconda del contesto applicativo:
- Potenza di assorbimento della ventola
- Caduta di pressione del fluido da raffreddare
- Spazio
- Rumore
- Prezzo
Ogni fattore è misurabile e necessario. La value proposition si basa su un attento esame di tutti gli aspetti che incidono nel raggiungimento del target prefissato. È quindi fondamentale identificare con precisione le priorità di progettazione del cliente per personalizzare al meglio il sistema di raffreddamento a flusso incrociato. Questo permette di ridurre le tempistiche di progettazione e di diminuire i costi.
Vediamo nel dettaglio come bilanciare questi elementi.
Se riduciamo la superficie della massa, dobbiamo aumentarne lo spessore e usare una ventola più potente. Il beneficio che avremo sarà legato a minor caduta di pressione e spazio necessario, a discapito di potenza di assorbimento della ventola e di rumorosità maggiori, mentre il prezzo rimarrà stabile.
Se aumentiamo la superficie della massa, possiamo diminuirne lo spessore e utilizzare una ventola meno potente. Il beneficio che avremo sarà legato a minor potenza di assorbimento della ventola, rumorosità e prezzo a discapito di caduta di pressione e spazio necessario maggiori.
Per aumentare la potenza di raffreddamento invece, possiamo o utilizzare una ventola più potente: in questo caso, la caduta di pressione e lo spazio necessario non cambieranno, mentre la potenza di assorbimento della ventola, la rumorosità e il prezzo aumenteranno; o utilizzare un cooler con una superficie maggiore: il beneficio che avremo sarà legato a minor potenza di assorbimento della ventola e rumorosità a discapito di spazio necessario e prezzo maggiori, mentre la caduta di pressione non cambierà.
Scambiatori acqua-olio
Gli scambiatori acqua-olio sono degli strumenti molto importanti che vengono utilizzati per il raffreddamento degli impianti attraverso uno scambio di calore tra i due fluidi. Per questo motivo vengono installati su presse ad iniezione o macchine utensili. Lo scambiatore acqua-olio è un particolare dispositivo che viene utilizzato per realizzare uno scambio di energia termica tra due fluidi: un fluido termovettore e altri di temperature diverse.
Gli scambiatori acqua-olio sono costituiti da tubi lisci di rame con un diametro piuttosto piccolo; per questo motivo sono anche conosciuti come scambiatori a fascio tubiero. Si tratta di uno strumento molto importante che viene utilizzato spesso su macchinari industriali, macchine alimentari, generatori e compressori.
La funzione principale dello scambiatore acqua-olio è quella di scambiare energia e calore tra i due fluidi che presentano due temperature diverse.
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.
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. Entrambi questi sistemi generano calore, che deve essere dissipato per mantenere costante il livello di precisione nelle lavorazioni.
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. Entrambe sono poi state sottoposte a una analisi dei tempi di lavoro e dei tempi morti, ottimizzando la capacità del serbatoio volano.
Scambiatori di calore a piastre
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. Gli scambiatori di calore a piastre saldobrasati (BPHE - Brazed Plate Heat Exchanger) offrono numerosi vantaggi. In uno scambiatore di calore a piastre guarnizionate (GPHE - Gasketed Plate Heat Exchanger), 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.
La selezione di modelli della linea Fast Track proviene dalla linea Industriale. Questo assortimento preconfigurato comprende configurazioni adatte alla maggior parte delle applicazioni.
- Convezione: quando un fluido è mischiato ad un altro.
È essenziale, però, fare una precisazione: la convezione può essere di tue tipi, naturale o forzata. Naturale, quando la differenza di densità tra due fluidi fa si che si generi movimento e le differenze di temperatura sono equilibrate.
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. Senza tener conto delle dispersioni di calore nell'atmosfera, che sono trascurabili, il calore perso (potenza) da un lato dello scambiatore di calore a piastre è equivalente al calore acquisito dall'altro lato.
La differenza media di temperatura logaritmica (LMTD) è la forza di trasmissione effettiva nello scambiatore di calore. In alcuni casi, come nelle applicazioni di raffreddamento, il programma termico è molto critico e necessita approcci precisi a seconda delle diverse temperature. Questo è quello che definiamo come elevata lunghezza termica e richiede unità specifiche.
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.
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 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. In uno scambiatore di calore a piastre, è possibile usufruire dei vantaggi derivanti da piccole differenze di temperatura e spessore delle piastre compreso tra 0,3 e 0,6mm. I valori alfa sono prodotti dalle turbolenza molto elevata e il fattore di sporcamento è generalmente molto ridotto. Nella maggior parte degli scambiatori di calore 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, è sempre utilizzato acciaio inossidabile AISI 316. La temperatura e la pressione massima he uno scambiatore può raggiungere ne influenzano il costo. Lo sporcamento consentito può essere espresso come margine di progetto (M) (cioè, una percentuale aggiuntiva dell'area di scambio termico) oppure come fattore di sporcamento, espresso in m2°C/W o M2h°C/kcal.
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.
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. Gli scambiatori di calore a piastre sono utilizzati in un'ampia gamma di funzioni, in quasi tutti i settori immaginabili, in tutto il mondo. Una stretta collaborazione con i consulenti ed i clienti è essenziale per la realizzazione di un impianto.
Altre tipologie di scambiatori di calore
Negli scambiatori di calore il primo modo per realizzare lo scambio termico tra i due fluidi è impiegare due tubi coassiali inseriti uno nell’altro, come avviene appunto negli scambiatori tubo in tubo. Qui viene fatto scorrere il primo fluido nel tubo interno e il secondo nella zona anulare tra un tubo e l’altro. Esistono poi scambiatori a tubi e mantello, o shell and tube, ovvero scambiatori che esasperano il concetto sopradescritto. Una ulteriore tipologia è quella degli scambiatori a serpentina, ideali per fluidi corrosivi o sporchi, prevedono l’immersione del sistema di scambio termico nella vasca contenente il fluido da termostatare.
Gli scambiatori a piastre ispezionabili e gli scambiatori saldobrasati presentano un rapporto molto elevato tra il volume e la superficie di scambio termico. Sono costituiti da un pacco di piastre simili tra loro ottenute da lamiera per stampaggio a freddo con differenti forme di corrugazione superficiale, aventi angoli differenti (angoli Chevron) a seconda dello schema termico che si desidera ottenere. Le piastre sono sostenute da un telaio e pressate da una testata mobile del medesimo.
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