Gli scambiatori di calore (heat exchangers) sono dispositivi essenziali per numerosi settori industriali, progettati per trasferire energia termica tra due o più fluidi a temperature diverse, senza che questi vengano a diretto contatto tra loro. La capacità di regolare le temperature in modo efficiente e sicuro è infatti fondamentale per mantenere la continuità e l’affidabilità dei processi produttivi.

Questi dispositivi sono largamente impiegati in vari settori industriali. Ad esempio, in un impianto petrolchimico, gli scambiatori di calore sono utilizzati per raffreddare gas compressi ad alte temperature, mentre nell’industria alimentare servono per controllare la temperatura del latte, dei succhi di frutta o degli alimenti in scatola. 

Negli impianti termici o di generazione elettrica, gli heat exchangers permettono di ottimizzare il consumo di energia, recuperando il calore residuo e riutilizzandolo nel ciclo produttivo. Sono davvero numerosi gli ambiti di applicazione: dall’industria chimica, in cui vengono usati durante il processo di produzione, purificazione e sintesi, fino al settore agricolo, in cui sono impiegati negli impianti di produzione di zucchero, amido e dolcificante. 

Questi dispositivi garantiscono il trasferimento di calore necessario per ottimizzare i processi produttivi, migliorare l’efficienza energetica e garantire il rispetto delle normative di sicurezza e qualità. Scopriamo insieme a cosa sono e come funzionano gli scambiatori di calore per impianti industriali.

Cosa sono e come funzionano gli scambiatori di calore industriali

Come abbiamo visto, gli scambiatori di calore industriali, o Industrial Heat Exchangers, sono dispositivi progettati per trasferire energia termica tra due o più fluidi in modo efficiente e controllato, senza che questi entrino in contatto diretto. 

Questo avviene attraverso una superficie di separazione, generalmente costituita da piastre o tubi, che consente il passaggio del calore da un fluido all’altro. Il loro impiego è essenziale in molti processi industriali, poiché permettono di gestire e regolare le temperature dei fluidi coinvolti nei processi produttivi, garantendo la continuità e l’efficienza dell’impianto.

Il funzionamento degli scambiatori di calore industriali si basa sul principio della termodinamica secondo cui il calore si muove da un corpo più caldo a uno più freddo: il fluido caldo cede calore alla superficie conduttrice, che lo trasferisce al fluido più freddo dall’altro lato della barriera. A seconda delle esigenze del processo, i fluidi possono scorrere in direzioni opposte (scambio controcorrente) o nella stessa direzione (scambio in corrente parallela). 

Il design e i materiali degli scambiatori di calore per impianti industriali vengono scelti in funzione delle condizioni operative, come la temperatura, la pressione e la natura dei fluidi, per massimizzare l’efficienza del trasferimento di calore e garantire una lunga durata del dispositivo.

Progettazione degli scambiatori di calore industriali

La progettazione degli scambiatori di calore industriali richiede un’analisi approfondita delle condizioni operative e delle specifiche esigenze di processo. Tra i principali fattori da considerare ci sono le temperature di ingresso e uscita dei fluidi, il tipo di fluido (viscosità, corrosività, presenza di particelle solide), la pressione operativa e il volume dei fluidi coinvolti. La scelta del materiale per la superficie di scambio è cruciale: deve garantire un’elevata conducibilità termica e resistenza a fenomeni di corrosione o incrostazione.

Un altro aspetto chiave è l’ottimizzazione dell’efficienza termica. Il design deve massimizzare l’area di scambio termico, minimizzando al contempo le perdite di calore e la resistenza al flusso dei fluidi. Questo può essere ottenuto attraverso configurazioni specifiche, come quelle a piastre o a fascio tubiero, che vedremo più avanti, selezionate in base alle esigenze specifiche dell’impianto. 

Inoltre, la progettazione deve considerare la facilità di manutenzione e pulizia, garantendo che il dispositivo possa operare per lunghi periodi senza intasamenti o perdite di prestazioni.

Durante la progettazione degli scambiatori di calore, quindi, è indispensabile utilizzare software di simulazione fluidodinamica che permettano di analizzare il comportamento dei fluidi all’interno del sistema di piping, ottimizzare il trasferimento di calore, valutare le perdite di carico nelle tubazioni e prevedere eventuali criticità operative.

Grazie all’utilizzo di software di progettazione avanzati, come quelli di ESAin, è possibile simulare le condizioni di esercizio e scegliere la configurazione ottimale dello scambiatore di calore, migliorando l’efficienza energetica e assicurando che l’impianto operi in condizioni di sicurezza. Tra le soluzioni ESAin, inoltre, sono disponibili software per il calcolo delle perdite di carico dei tubi, che permettono di rilevare in modo automatico la sequenza dei componenti di un sistema di piping, di generare un foglio di calcolo contenente dati geometrici e di associare a ogni componente la lunghezza e il suo coefficiente di resistenza. Dopo l’inserimento di eventuali dati mancanti, il software calcola in automatico eventuali perdite esistenti nel tratto e la pressione finale di ogni singolo nodo.

Tipologie di scambiatori di calore industriali

Gli scambiatori di calore industriali sono disponibili in diverse configurazioni, ciascuna progettata per adattarsi a specifiche esigenze, come la natura dei fluidi, la temperatura e la pressione di esercizio. 

Di seguito sono elencate le principali tipologie esistenti.

• Scambiatore a piastre. Costituiti da una serie di piastre metalliche sottili che formano canali per il passaggio dei fluidi. Offrono un’ampia superficie di scambio termico in uno spazio compatto. Le piastre sono unite da un telaio e sigillate con guarnizioni o saldobrasati: nel primo caso si facilita l’apertura per eventuali operazioni di manutenzione, nel secondo, invece, si garantisce una maggiore resistenza a pressioni e temperature più estreme.

• Scambiatori a fascio tubiero. Costituiti da un fascio di tubi posizionati all’interno di un involucro, uno dei fluidi scorre all’interno dei tubi e l’altro all’esterno. Sono particolarmente adatti per grandi volumi di fluido e alte pressioni. I tubi al loro interno possono essere lisci o corrugati e possono essere installati in diverse configurazioni. Sono infatti disponibili diverse modalità di scambio dei fluidi: incrociata, parallela o controcorrente.

• Scambiatori a spirale. Composti da due lamine metalliche arrotolate a spirale, permettono un’efficace distribuzione del calore: i nastri metallici creano due distinti canali per il passaggio dei fluidi, che scorrono in senso opposto. Sono ideali per gestire fluidi densi o con particelle solide, riducendo il rischio di intasamento, come ad esempio: schiume, fanghi, melasse ecc. Questa tipologia di industrial heat exchanger assicura un’elevata efficienza termica e garantisce un’ottima capacità di auto svuotamento.

Ogni tipologia è progettata per garantire un’efficienza ottimale per le specifiche condizioni operative in cui viene installata, assicurando un controllo preciso delle temperature e una lunga durata nel tempo.

 

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