19/04/2019 Una domanda che ci viene posta spesso in Tempco riguarda la possibilità o meno di invertire le connessioni e i collegamenti dei fluidi all’interno di uno scambiatore di calore a piastre. A questo ho voluto dedicare il nuovo video tutorial sul nostro canale Tempco
Youtube. La risposta nella maggior parte dei casi è affermativa, con alcune eccezioni, per cui è sempre opportuno chiedere prima. La richiesta riguarda generalmente la possibilità di invertire verso e direzione dei flussi oppure scambiare il circuito primario e secondario tra loro. Gli scambiatori di
calore hanno generalmente una struttura simmetrica dei circuiti, ragion per cui è possibile sia invertire la direzione del flusso dei due fluidi, che scorrono nello scambiatore tipicamente in controcorrente, sia l’inversione tra circuito primario e secondario. In entrambi i casi senza grandi cambiamenti nel rendimento complessivo dello scambiatore di calore in termini di trasferimento termico. Ripeto, è sempre però meglio chiedere, in quanto esistono casi in cui i due circuiti non sono simmetrici, o ad esempio quando ci sono esigenze di drenaggio. E’ questo il caso
per esempio del vapore, che deve invece sempre entrare dall’alto dello scambiatore, in modo da poter scaricare la condensa verso il basso per assicurare un completo drenaggio dallo scambiatore. Con il vapore è quindi possibile invertire
primario e secondario, ma non la direzione dei flussi. GeneralitàGli scambiatori a piastre furono prodotti intorno agli anni ’20 e da allora hanno trovato un largo impiego in molti settori. L’intercapedine che si crea tra due piastre adiacenti costituisce il canale in cui scorre il fluido. Una piastra può avere
dimensioni che vanno dai pochi decimetri quadrati (100 mm x 300 mm di lato) fino a 2 o 3 metri quadrati (1000 mm x 2500 mm di lato). La figura mostra l’andamento dei fluidi all’interno dello scambiatore. Flusso interno in un BPHEGeneralmente queste piastre sono corrugate per aumentare la turbolenza, la superficie di scambio e conferire rigidità
meccanica allo scambiatore. Le corrugazioni presenti all’interno della piastra impongono al fluido un percorso tortuoso e definiscono un la spaziatura tra due piastre adiacenti b, che può andare da 1 mm a 5 mm. La configurazione in serie si impiega quando si ha una portata piccola per ogni fluido ma salto termico elevato. Quando c’è una differenza elevata tra le portate (oppure tra il valore massimo delle perdite di carico ammissibili) dei due fluidi è possibile far percorrere lo scambiatore due volte dal fluido con portata minore (o che consente perdite più elevate) in modo da equilibrare i valori delle cadute di pressione o delle portate specifiche nei canali. La figura illustra le diverse configurazioni di configurazione: in parallelo, in serie e mista. Uno dei problemi più importanti per gli scambiatori
a piastre è la disuniformità di alimentazione dei diversi canali in parallelo. All’aumentare del numero delle piastre la distribuzione peggiora comportando una diminuzione delle prestazioni globali dello scambiatore. Scambiatore di calore a piastre con guarnizioniNei PHE le piastre vengono impaccate a pressione mediante testate e tiranti, la tenuta è garantita da guarnizioni. Le guarnizioni, oltre alla tenuta servono ad indirizzare i fluidi. Le temperature massime di utilizzo degli scambiatori a guarnizione sono comprese tra 80°C e 200°C mentre le pressioni
possono arrivare a 25 bar - facile e rapido smontaggio per operazioni di pulizia e controllo - le perdite di fluido dovute a non perfetta tenuta delle guarnizioni non vanno a
contaminare l’altro fluido ma vanno verso l’esterno Scambiatori di calore a piastre saldobrasateGli scambiatori di calore a piastre saldobrasate non hanno testate, tiranti e le guarnizioni di tenuta perché le piastre vengono saldobrasate in forno a temperature dell’ordine dei 1000°C. In fase di assemblaggio viene messo tra le piastre un foglio di materiale brasante (generalmente rame ma anche nichel), il pacco viene pressato e successivamente messo in forno per qualche ora. Lo scambiatore BPHE si presenta più compatto, leggero e meno ingombrante di uno con guarnizioni. La brasatura quindi assolve sia la funzione delle guarnizioni che quella del telaio. In questo modo la turbolenza dei fluidi è elevata anche per basse velocità nominali di ingresso e il deflusso passa da laminare a turbolento per basse portate specifiche. La figura mostra uno scambiatore sezionato avente 8 piastre totali (di cui 6 utili per lo scambio termico) in cui si vedono i 3 canali impiegati per il passaggio del fluido frigorigeno (in giallo) e i 4 impiegati per l’acqua (in blu). Si nota subito che il percorso fatto dai fluidi è molto caotico, infatti la sezione di attraversamento varia continuamente . Il principale svantaggio di questi scambiatori è che non sono smontabili per cui la manutenzione e la pulizia non sono possibili o perlomeno difficoltose, e la flessibilità non esiste nel senso che il numero di piastre non può in nessun modo essere variato. Le piastre sono dotate di corrugazioni il cui scopo è quello di aumentare la turbolenza del fluido
durante il deflusso nel canale. L’inclinazione delle corrugazioni della piastra ha un effetto determinante sullo scambio termico e sulle perdite di carico, infatti un accoppiamento di piastre con angolo β elevato (>45°) conferisce una turbolenza e quindi uno scambio termico elevato pagati con una maggiore caduta di pressione. Un angolo più piccolo (β <45°) conferisce al flusso minore turbolenza e minori coefficienti di scambio termico ma anche minori cadute di pressione. L’altezza delle corrugazioni b ha un effetto importante sui coefficienti di scambio perché una
maggiore profondità provoca turbolenza maggiore. φ = area della superficie corrugata reale / area della proiezione della superficie corrugata Nelle immagini sotto si vedono delle simulazioni Onda fatte su scambiatori a piastre di piccole dimensioni. Si vedono bene le linee di flusso che seguono l’angolo della corrugazione. L’area effettiva è difficile da calcolare quindi per confrontare diversi scambiatori si fa riferimento all’area proiettata. Anche il rapporto tra lunghezza L e larghezza W delle piastre influisce sulle prestazioni ma in modo minore rispetto le altre variabili. In generale un rapporto elevato tra lunghezza e larghezza della piastra dà coefficienti di scambio elevati ma perdite di carico maggiori. Per scaricare il PDF clicca qui : Per capire il funzionamento di questi scambiatori di calore nel dettaglio in applicazioni monofase e bifase (evaporazione e condensazione), vedete il link qui sotto : Per vedere la serie completa degli scambiatori a piastre Onda clicca qui sotto : Enrico Golin, R&D Onda S.p.A. Richiesta informazioniCome progettare uno scambiatore di calore?Per progettare uno scambiatore bisogna correlare la quantità di calore trasmesso nell'unità di tempo Q con le temperature di ingresso e di uscita dei due fluidi l'area A della superficie totale richiesta per quel dato scambio termico.
Come funziona uno scambiatore di calore a piastre?Lo scambiatore a piastre è uno scambiatore di calore a superficie in cui due correnti fluide a temperatura diversa scambiano il loro contenuto termico attraverso delle superfici lavorate a rilievo e disposte l'una accanto all'altra, dove i fluidi si avvicendano con flusso in controcorrente.
A cosa serve lo scambiatore secondario?Lo scambiatore secondario di calore va in funzione nell'identica maniera dello scambiatore primario, ossia ha il compito di scambiare l'energia termica tra quello primario e l'acqua che proviene dalla rete idrica. E' un componente necessario per riscaldare l'acqua prima che fuoriesca dai rubinetti.
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