Scambiatore di calore industriale: cos’è e come funziona

Uno scambiatore di calore industriale è un dispositivo progettato per trasferire energia termica (calore) da un fluido a un altro senza che i due fluidi entrino in contatto diretto. Il suo funzionamento si basa sul principio della termodinamica secondo cui il calore si sposta naturalmente da un corpo più caldo a uno più freddo. Questi dispositivi sono essenziali in innumerevoli processi industriali per il raffreddamento, il riscaldamento, la condensazione e l’evaporazione, utilizzando diverse configurazioni come quelle a piastre o a fascio tubiero per massimizzare l’efficienza del trasferimento termico.

Nel cuore di quasi ogni processo industriale, dalla produzione alimentare alla generazione di energia, si trova un componente tanto cruciale quanto spesso invisibile: lo scambiatore di calore industriale. Questo dispositivo è il motore silenzioso che permette di gestire l’energia termica in modo efficiente, sicuro ed economico.

Ma cos’è esattamente e come riesce a svolgere un ruolo così fondamentale? In questa guida completa, esploreremo in dettaglio il mondo degli scambiatori di calore industriali, analizzando il loro principio di funzionamento, le diverse tipologie esistenti e i settori in cui sono assolutamente indispensabili.

Per definire in modo semplice uno scambiatore di calore industriale, possiamo pensarlo come un dispositivo che trasferisce calore da un fluido a un altro. I due fluidi, che possono essere liquidi (come acqua, olio) o gas (come aria, vapore), scorrono all’interno dello scambiatore senza mai mescolarsi tra loro. Sono separati da una superficie conduttiva (solitamente metallica) attraverso la quale avviene lo scambio termico.

L’obiettivo principale può essere quello di riscaldare un fluido freddo utilizzando un fluido più caldo, oppure di raffreddare un fluido caldo cedendo il suo calore a un fluido più freddo. Questo processo è fondamentale per il controllo della temperatura, il recupero energetico e l’ottimizzazione dell’efficienza in un’ampia gamma di applicazioni industriali.

l principio alla base del funzionamento di ogni scambiatore di calore è una delle leggi fondamentali della fisica: il secondo principio della termodinamica. Questo principio stabilisce che il calore fluisce spontaneamente da un corpo a temperatura più alta a uno a temperatura più bassa, mai viceversa, fino a quando non si raggiunge un equilibrio termico.

Immaginiamo di avere due fluidi:

1. Fluido primario (o di processo): Il fluido caldo di cui si vuole abbassare la temperatura.

2. Fluido secondario (o di servizio): Il fluido freddo utilizzato per assorbire il calore.

All’interno dello scambiatore, questi due fluidi scorrono in canali separati ma adiacenti. Le pareti che li dividono, realizzate in materiali ad alta conducibilità termica come acciaio inossidabile, rame o titanio, fungono da ponte per il passaggio del calore. Le molecole del fluido caldo, vibrando più velocemente, trasferiscono la loro energia cinetica alle pareti dello scambiatore, che a loro volta la trasferiscono al fluido freddo.

L’efficienza di questo trasferimento dipende in gran parte dalla direzione in cui i due fluidi scorrono l’uno rispetto all’altro. Esistono due configurazioni principali:

• Flusso in equicorrente (Parallelo): I due fluidi entrano nello scambiatore dallo stesso lato e scorrono nella stessa direzione. In questa configurazione, la differenza di temperatura tra i due fluidi è massima all’ingresso e minima all’uscita. È una soluzione semplice ma meno efficiente.

• Flusso in controcorrente: I due fluidi entrano nello scambiatore da lati opposti e scorrono in direzioni opposte. Questa configurazione mantiene una differenza di temperatura più costante lungo tutta la superficie di scambio, garantendo un’efficienza di trasferimento termico significativamente maggiore. Per questo motivo, è la soluzione più utilizzata nelle applicazioni industriali.

Il design in controcorrente permette al fluido freddo in uscita di raggiungere una temperatura molto vicina a quella del fluido caldo in entrata, massimizzando il recupero di calore.

Non esiste uno scambiatore di calore “universale”. La scelta del modello giusto dipende da fattori come la natura dei fluidi (viscosità, corrosività), le pressioni e le temperature di esercizio, e lo spazio disponibile. Vediamo le tipologie più comuni.

Uno scambiatore di calore a piastre è costituito da una serie di sottili piastre metalliche corrugate, pressate insieme in un telaio. Le corrugazioni creano canali complessi attraverso cui i fluidi scorrono, alternandosi tra una piastra e l’altra.

• Vantaggi: Altissima efficienza termica grazie all’elevata turbolenza e alla grande superficie di scambio in un volume compatto. Sono facili da ispezionare, pulire e modulare (è possibile aggiungere o rimuovere piastre).

• Applicazioni tipiche: Settore alimentare (pastorizzazione del latte, raffreddamento della birra), HVAC (riscaldamento e raffreddamento civile), industria chimica e farmaceutica.

Uno scambiatore di calore a fascio tubero è la tipologia più robusta e una delle più diffuse nell’industria pesante. È composto da un fascio di tubi (il fascio tubiero) inserito all’interno di un involucro cilindrico (il mantello). Un fluido scorre all’interno dei tubi, mentre l’altro scorre all’esterno, nel mantello. 

• Vantaggi: Estremamente affidabile e in grado di operare a pressioni e temperature molto elevate. Resistente e durevole, ideale per fluidi sporchi o aggressivi.

• Applicazioni tipiche: Raffinerie di petrolio, impianti petrolchimici, centrali elettriche, grandi impianti di processo.

Consulta la guida per capire quali sono i migliori materiali per i tubi degli scambiatori di calore a fascio tubiero

Nello scambiatore di calore a tubi alettati, un fluido (solitamente un liquido o un refrigerante) scorre all’interno di un tubo a serpentino, mentre un gas (tipicamente aria) viene forzato a passare all’esterno. Per aumentare la superficie di scambio dal lato dell’aria, i tubi sono dotati di alette metalliche.

• Vantaggi: Ideale per lo scambio termico tra un liquido e un gas. Design semplice ed economico.

• Applicazioni tipiche: Radiatori delle automobili, condensatori ed evaporatori nei sistemi di condizionamento e refrigerazione, aerotermi industriali.

Gli scambiatori di calore sono onnipresenti. La loro capacità di controllare la temperatura e recuperare energia li rende indispensabili in quasi ogni settore produttivo.

• Industria chimica e petrolchimica: Per il controllo delle temperature di reazione, la distillazione, la condensazione di vapori e il raffreddamento di prodotti finiti.

• Settore energetico: Nelle centrali termoelettriche per condensare il vapore che esce dalle turbine e per preriscaldare l’acqua di alimento delle caldaie.

• Industria alimentare e delle bevande: Per processi come la pastorizzazione, la sterilizzazione, il raffreddamento di mosti, la concentrazione di succhi e la cristallizzazione.

• HVAC (Riscaldamento, Ventilazione e Condizionamento): Nelle caldaie, nei chiller e nelle unità di trattamento aria per il riscaldamento e il raffreddamento degli edifici.

• Industria farmaceutica: Per il controllo preciso della temperatura durante la produzione di farmaci, garantendo la conformità a standard igienici rigorosi.

• Trattamento delle acque reflue: Per recuperare calore dalle acque di scarico e ottimizzare i processi biologici.

La scelta del materiale per i componenti chiave, come tubi e piastre, è critica per la longevità e l’efficienza di uno scambiatore. La selezione dipende interamente dall’applicazione, considerando la corrosività dei fluidi, le temperature e le pressioni operative.

Admiralty Industries è specializzata nella fornitura di tubi per scambiatori di calore in leghe ad alte prestazioni, offrendo una gamma completa di soluzioni per ogni esigenza:

• Leghe di Rame e Ottone:

  • Ottone Ammiragliato (C44300): Contiene un inibitore all’arsenico per una maggiore resistenza alla dezincificazione, ideale per il contatto con acque dolci, salmastre e a bassa salinità.

  • Ottone Alluminio (C68700): Offre un’eccellente resistenza alla corrosione in acque ad alta velocità, rendendolo perfetto per condensatori marini e scambiatori di calore a bordo nave.

  • Rame DHP (C12200): Caratterizzato da un’altissima conducibilità termica, è la scelta ideale quando l’efficienza di scambio è la priorità assoluta.

• Cupronichel (Cu-Ni):

  • Cu-Ni 90/10 (C70600): Lo standard industriale per applicazioni marine. Forma rapidamente un film protettivo che garantisce una superba resistenza all’acqua di mare e al biofouling.

  • Cu-Ni 70/30 (C71500): Contiene più nichel per una resistenza meccanica e una resistenza alla corrosione ancora maggiori, adatto per le condizioni marine più severe.

Una corretta manutenzione è altrettanto fondamentale. Con il tempo, sulle superfici di scambio possono formarsi depositi (incrostazioni o fouling) che agiscono come uno strato isolante, riducendo drasticamente l’efficienza. Una pulizia periodica, chimica o meccanica, è essenziale per mantenere le prestazioni ottimali e prevenire guasti.

Lo scambiatore di calore industriale è molto più di un semplice componente meccanico. È un dispositivo strategico che permette alle industrie di operare in modo sicuro, controllare la qualità dei prodotti e, soprattutto, migliorare l’efficienza energetica. Recuperare calore che altrimenti andrebbe disperso significa ridurre i consumi di combustibile, abbattere i costi operativi e diminuire l’impatto ambientale.

Comprendere il suo funzionamento e scegliere la tipologia giusta per la propria applicazione è un passo fondamentale verso un processo produttivo più sostenibile e competitivo.

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