Come scegliere uno scambiatore di calore

Gli scambiatori di calore, chiamati anche scambiatori termici o semplicemente scambiatori, sono apparecchiature che permettono il trasferimento, attraverso una parete di separazione, di energia termica tra due fluidi a temperature diverse, senza, quindi, che i due fluidi vengano mescolati. Poiché il trasferimento di energia termica è alla base di molti processi industriali (riscaldamento o raffreddamento di un prodotto, condensazione di vapori o evaporazione di liquidi, ecc.), gli scambiatori di calore trovano largo impiego nell’industria. Oltre che nel settore industriale, vengono utilizzati anche nell’ambito del risparmio energetico (recupero di energia, ottimizzazione dell’energia), nelle automobili, nei sistemi di riscaldamento e condizionamento, ecc.
Esistono molti tipi diversi di scambiatori, in grado ciascuno di soddisfare esigenze specifiche, ma la maggior parte dei modelli industriali può essere suddivisa in due categorie principali: gli scambiatori a tubi e gli scambiatori a piastre.

Scambiatori di calore: vedi i prodotti

Quali sono i criteri per scegliere uno scambiatore di calore?

L’offerta in ambito di scambiatori di calore è molto vasta. Chi abbia esigenze specifiche potrà contattare l’azienda produttrice per chiedere un’apparecchiatura personalizzata, da costruire in funzione dell’uso previsto e delle condizioni ambientali in cui lo scambiatore in questione opererà. La scelta sarà basata, in particolare, sui seguenti fattori:

Tipo di scambiatore desiderato:
- Gli scambiatori di calore tubolari, detti anche scambiatori di calore a tubo o, a seconda del modello, scambiatori tubo in tubo, a doppio tubo o a tubi concentrici, sono i più comuni. In questi modello un fluido circola all’interno di uno o più tubi disposti all’interno di un tubo di maggiori dimensioni e un secondo fluido attraversa lo spazio tra tubi interni e tubo esterno.
- Gli scambiatori di calore a piastre con guarnizioni sono un’alternativa più compatta e meno costosa. In questi scambiatori i fluidi circolano tra le piastre metalliche senza mescolarsi.
- Gli scambiatori di calore a piastre saldate funzionano in modo simile agli scambiatori di calore a piastre con guarnizione.
- Gli scambiatori di calore a piastre brasate sono utilizzati principalmente nei sistemi di riscaldamento, ventilazione, aria condizionata e refrigerazione.
Condizioni operative, tra cui temperatura, portata e pressione dei fluidi all’ingresso e all’uscita dello scambiatore.
Tipi di fluidi che circoleranno all’interno dello scambiatore e le loro proprietà fisiche e chimiche.
Vincoli relativi all’installazione e alla manutenzione.

Sulla base di questi elementi, le aziende produttrici possono aiutare il potenziale cliente a dimensionare lo scambiatore di calore in base alle sue esigenze, anche in termini di potenza termica.

Tipo di scambiatore	Vantaggi	Svantaggi
Scambiatore tubolare	Grandi dimensioni possibili. Sopporta fluidi con una differenza di temperatura d’ingresso molto elevata. Resiste a pressioni molto elevate Perdite di pressione minime dei fluidi che circolano sia nel tubo esterno che in quello interno.	Buon trasferimento di calore tra i due fluidi, ma minore efficienza energetica rispetto agli scambiatori di calore a piastre. Manutenzione difficile, soprattutto per gli scambiatori di calore di grandi dimensioni.
Scambiatore a piastre con guarnizioni	Compatto. Buona efficienza energetica grazie alla turbolenza causata dalla forma delle piastre. Autopulente. Facile da smontare. Possibilità di aumentare o diminuire il numero di piastre.	Temperature massime tra 150 e 200° C. Pressione massima 25 bar. Alta perdita di pressione di entrambi i fluidi a causa della turbolenza causata dalla forma delle piastre.
Scambiatore a piastre brasate	Molto compatto Buona efficienza energetica grazie alla turbolenza causata dalla forma delle piastre. Autopulente. Può essere smontato Pulizia ad alta pressione possibile. Alcuni scambiatori di calore sopportano pressioni fino a 140 bar.	Temperatura del fluido all’ingresso limitata a 200° C. Perdite di pressione elevate di entrambi i fluidi a causa della turbolenza causata dalla forma delle piastre.
Scambiatore di calore a piastre saldate	Molto compatto Buona efficienza energetica grazie alla turbolenza causata dalla forma delle piastre. Autopulente Pulizia ad alta pressione possibile. Grazie ai giunti saldati, permette grandi differenze di temperatura tra i fluidi all’ingresso. Resiste a temperature tra -40 e +500° C.	Non può essere smontato. Pressione massima 30 bar. Alta perdita di pressione di entrambi i fluidi a causa della turbolenza causata dalla forma delle piastre.

Perché scegliere uno scambiatore di calore tubolare?

Scambiatore di calore a tubi di Bowman

Gli scambiatori di calore tubolari, o scambiatori di calore tubo in tubo, sono stati i primi immessi sul mercato ma sono ancora ampiamente utilizzati nell’industria per la loro eccellente affidabilità, in particolare con fluidi ad alta pressione o ad alta viscosità. Gli scambiatori di calore tubolari sono composti da tubi all’interno dei quali circola un fluido e che si trovano all’interno di un altro tubo, che contiene a sua volta un altro fluido.

Gli scambiatori di calore a tubo possono raggiungere dimensioni notevoli e soddisfare requisiti di trasferimento di calore molto elevati. La loro manutenzione può rivelarsi più complicata rispetto a quella dei modelli a piastre, proprio a causa delle loro dimensioni e del possibile accumulo di residui all’interno dei tubi. Inoltre, l’efficienza di uno scambiatore di calore a tubi è inferiore a quella di uno scambiatore di calore a piastre.

Il materiale del tubo esterno deve essere compatibile con il fluido che circolerà al suo interno e il materiale dei tubi deve essere compatibile con entrambi i fluidi.

Alcuni produttori propongono scambiatori di calore a serpentina, detti anche scambiatori di calore a spirale, che sono più compatti.
Perché scegliere uno scambiatore di calore a piastre?
Scambiatore di calore a piastre FISCHER

Gli scambiatori di calore a piastre offrono molti vantaggi rispetto agli scambiatori di calore a tubi: rispetto a scambiatori di calore a tubi di prestazioni equivalenti, sono più compatti, più leggeri e più efficienti.

Gli scambiatori di calore a piastre possono avere configurazioni diverse, ma funzionano tutti secondo lo stesso principio: i fluidi scorrono tra un certo numero di piastre, molto sottili nonché corrugate in maniera da creare turbolenza. Queste piastre garantiscono lo scambio di calore. I fluidi possono inoltre passare attraverso le piastre a controcorrente, il che aumenta l’efficienza dello scambio di calore. In certi modelli è possibile aggiungere più piastre per ottenere una maggiore superficie di scambio termico senza aumentare significativamente lo spazio occupato dallo scambiatore.

Questi scambiatori sono considerati autopulenti, poiché il flusso turbolento dei fluidi è solitamente sufficiente a pulire qualsiasi detrito. Questa turbolenza, tuttavia, causa perdite di pressione significative ad entrambi i fluidi.

Alcuni scambiatori di calore a piastre vengono costruiti con materiali specifici, più leggeri e più resistenti alla corrosione. È il caso ad esempio degli scambiatori di calore in acciaio inossidabile, in titanio, ecc.

Gli scambiatori di calore a piastre possono essere suddivisi in tre tipi principali:
- Scambiatori di calore a piastre con guarnizione: ogni piastra è circondata da una guarnizione e l’insieme di piastre è montato tra due piastre bullonate. Questo tipo di scambiatore può essere considerato modulare in quanto il numero di piastre può essere facilmente aumentato o diminuito in maniera da cambiare la superficie totale di scambio termico e quindi la potenza dello scambiatore. Le temperature dei fluidi all’uscita dello scambiatore, in questo modo, possono essere regolate. La manutenzione di questi scambiatori è relativamente semplice. Tuttavia, hanno una resistenza limitata alle alte pressioni e temperature (max. 150-200° C ad una pressione massima di 25 bar). Bisognerà peraltro assicurarsi che i materiali che compongono le piastre e le guarnizioni siano compatibili con i fluidi che circolano nell’apparecchiatura.
- Scambiatori di calore a piastre saldobrasate: le piastre sono unite mediante brasatura di rame o nichel, il che dà origine a scambiatori di calore compatti e monoblocco. Questi modelli possono sopportare temperature di circa 200° C e 30 bar di pressione. Tuttavia, non è possibile modificare il numero di piastre per adattare la potenza dello scambiatore al variare delle esigenze. Generalmente più costosi degli scambiatori di calore a piastre con guarnizione, hanno tuttavia una durata di vita più lunga e sono facili da pulire in quanto compatibili con una pulizia ad alta pressione. Per finire, questi scambiatori possono essere smontati per la manutenzione.
- Scambiatori di calore a piastre saldate: poiché le piastre sono saldate insieme, questi modelli sono più resistenti di quelli a piastre brasate e resistono anche a temperature e pressioni più elevate rispetto ad altri scambiatori di calore a piastre (tra -40 e +500° C ad una pressione massima di 30 bar). Tuttavia, non è possibile cambiare il numero di piastre per regolare la potenza dello scambiatore. Anche se non possono essere smontati, sono facili da pulire ad alta pressione.