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Gli scambiatori di calore sono apparecchi che trasmettono il calore da dei materiali di lavoro ad altri, cioè trasmettono il calore da termovettori caldi a termovettori freddi. C'è una vasta gamma di scambiatori di calore che vengono classificati in base a caratteristiche funzionali e costruttive e anche secondo il metodo di trasferimento del calore. Gli scambiatori di calore sono ampiamente utilizzati nell'industria chimica dove vengono eseguiti i seguenti processi:
L'efficienza dello scambiatore di calore si definisce tramite la quantità di energia Q che viene trasmessa in un tempo stabilito. Tale cifra, a sua volta, dipende da parametri come: il coefficiente di permeabilità di calore k, la superficie di scambio di calore A e la differenza media delle temperature Δtm.
Q=k·A·Δtm
Il coefficiente di permeabilità di calore k dipende direttamente dalla progettazione dello scambiatore di calore, dal tipo di materiale di cui è fatta la macchina e, inoltre, dalle specifiche di scorrimento delle sostanze nello scambiatore di calore.
k=[(1/α1)+(s/λ)+(1/α2)]-1
Il calcare, la crosta di sale e anche altri tipi di depositi sui tubi incidono negativamente sull’efficienza dello scambiatore di calore. Per questo motivo è necessario eliminare regolarmente i sedimenti e prevenirne la formazione.
La differenza di temperatura dei termovettori (t1-t2) è il movimento di forza del processo di scambio termico. Come regola generale, il livello di temperatura dei flussi delle sostanze (o almeno uno dei flussi) cambia man mano che il flusso scorre sulla superficie di scambio termico a conseguenza di cui cambia anche la differenza tra le temperature da sezione a sezione Δt=t1-t2. In questo modo, l'equazione del trasferimento di calore deve essere scritta in relazione al caso generale nella forma differenziale per l’elemento di superficie dF/dQ=k·Dt·dF, da cui K=const.
Q=k·∫0F(Δt·)dF=K·Δsr·F
dove Δsr è la differenza media di temperatura dei termovettori lungo la superficie di scambio termico.
L’obbiettivo del calcolo tecnologico dello scambiatore di calore è quello di:
In entrambi i casi è necessario conoscere il valore medio della differenza delle temperature.
Ci sono tre metodi sostanziali di trasferimento di calore da un termovettore all'altro:
In varie parti degli scambiatori di calore il processo di trasferimento di calore avviene in modo diverso e può combinare tutti o alcuni dei tipi di trasferimento di calore qui riportati. Pertanto, durante il calcolo del processo di trasferimento di calore essi vengono considerati come uno unico.
I termovettori di tipo industriale possono essere suddivisi nelle seguenti tipologie principali:
Il vapore acqueo è ampiamente utilizzato nelle aziende del settore chimico. Questo termovettore possiede un’elevata entalpia specifica (il calore latente di evaporazione in presenza di un normale livello di pressione è di 2256,8 kJ/kg) e un elevato coefficiente di scambio termico in caso di condensazione. Il riscaldamento a vapore acqueo diventa economicamente non conveniente per l’ottenimento di temperature superiori ai 200 °C. In caso di alti livelli di temperature, l’acqua ha difetti simili e inoltre cede inoltre il posto al vapore acqueo in relazione al valore del coefficiente di trasferimento di calore.
Con l'utilizzo del gas di scarico è possibile raggiungere temperature elevate tramite la combustione di gas, liquidi e solidi combustibili. Gli svantaggi di questo tipo di termovettore è il basso livello di rendimento termico. Di conseguenza, sono necessari grandi superfici di riscaldamento che non consentono di regolare in modo preciso il calo della temperatura.
Per lavorare con temperature superiori ai 200 °C vengono utilizzati termovettori con elevati punti di ebollizione, organici e inorganici. Il gruppo dei termovettori organici comprende composti ciclici, aciclici e misti con temperature di ebollizione fino a 380-420 °C, oli minerali aromatizzati, per cilindri e compressori. In termini di coefficiente di trasferimento di calore, i vapori dei termovettori organici sono inferiori rispetto al vapore acqueo e paragonabili ai termovettori liquidi in condizioni di velocità di circolazione di circa 3-4 m/s.
I termovettori organici sono combustibili ed esplosivi ma non sono aggressivi nei confronti dei materiali di costruzione convenzionali (tranne che per i composti clorurati). Il termovettore organico più utilizzato nel settore industriale è la miscela eutettica di difenile e di etere difenilico (40% degli impianti).
Gli ioni dei termovettori si utilizzano allo stato liquido e di vapore. I termovettori di questo tipo hanno alte temperature di fusione e di ebollizione e quindi la loro applicazione nell’industria è limitata. Su base strutturale, gli ioni dei termovettori si dividono in due gruppi:
In questo momento hanno ricevuto una più ampia applicazione nell’industria gli eteri aromatici e gli acidi ortosilicici.
Nel gruppo dei termovettori metallo-liquidi ci sono dei metalli e le loro leghe che sono utilizzati allo stato liquido e di vapore (raramente). Dato che tali termovettori sono più resistenti al calore, sono caratterizzati da una maggiore aggressività verso i materiali di costruzione e perciò le temperature massime dei termovettori metallo-liquidi sono limitate dalla loro azione corrosiva.
Tali termovettori sono tossici allo stato vaporoso, esplosivi in miscela con l'aria ed inoltre si ossidano intensamente alle temperature di lavoro.
La scelta del termovettore dipende dai seguenti fattori:
Nella pratica ci sono quattro schemi di movimento dei termovettori:
Le attrezzature di scambio di calore sono ampiamente utilizzate nell'industria per il riscaldamento e il raffreddamento di flussi tecnologici. Per il riscaldamento di un flusso più freddo viene utilizzato un termovettore chiamato agente di riscaldamento. Per il raffreddamento di un flusso più caldo viene utilizzato un termovettore chiamato agente di raffreddamento.
L’agente di riscaldamento è un elemento intermedio nel processo di riscaldamento; riceve calore da fonti dirette di energia termica (impianti di combustione di gas e energia elettrica) e la trasmette al flusso tecnologico. Durante il riscaldamento dei flussi tecnologici negli scambiatori di calore industriali vengono ampiamente utilizzati una serie di gas e fluidi in qualità di agenti riscaldanti, come ad esempio:
Il vapore acqueo è più applicabile nei processi industriali di scambio termico. Ha un elevato coefficiente di scambio termico durante la condensazione e un’elevata entalpia assoluta. Altre sue qualità importanti vengono considerate la sua sicurezza rispetto ad esplosioni ed incendi e la capacità di regolazione del riscaldamento. La temperatura di riscaldamento del vapore è limitata a ~ 200 °C; ciò è associato ad un significativo aumento della pressione all'aumentare della temperatura, cosa che porta alla complicazione e all’aumento dei costi di progettazione del macchinario. L’acqua ha difetti simili.
Per effettuare il riscaldamento dai 200 ai 400 °C vengono utilizzati liquidi ad alta temperatura, che contengono sostanze organiche e inorganiche. Tra i termovettori organici si trovano sostanze come la glicerina, le miscele difenili, la naftalina e i suoi derivati, gli oli minerali e per cilindri. Il coefficiente di trasferimento di calore nei composti organici è inferiore rispetto a quello del vapore acqueo. I composti organici non hanno un’azione corrosiva sui materiali da costruzione. Tra le caratteristiche negative di tali termovettori ci sono la loro infiammabilità ed esplosività.
In qualità di termovettori inorganici vengono utilizzati metalli, prevalentemente allo stato liquido, e alcune fusioni di sali. I metalli sono i termovettori più termoresistenti. I loro principali svantaggi sono l’alta capacità corrosiva, in caso di temperature massime, e tossicità dei vapori; il loro uso è perciò determinato dalla resistenza dei materiali di costruzione.
Le fusioni dei sali hanno un alto punto di fusione, cosa che limita la loro applicazione nell’industria.
I gas di scarico si applicano per il riscaldamento fino a temperature estremamente elevate di 1000°C. Gli svantaggi del dato termovettore sono il basso coefficiente di trasferimento di calore e la contaminazione della superficie con prodotti di combustione incompleta del carburante, che portano di conseguenza ad un aumento della superficie di scambio termico e della difficoltà di regolazione della temperatura.
Il riscaldamento tramite l'elettricità può essere ottenuto con un ampio intervallo di temperature a regolazione precisa ma non è economicamente vantaggioso in quanto ha un costo elevato.
La scelta del termovettore è basata su specifiche condizioni del processo tecnologico condotto e, prima di tutto, dipende dalla temperatura di riscaldamento o di raffreddamento richiesta e dalla necessità del suo regolamento. Per l'ottenimento di una determinata temperatura di regime e per garantire un funzionamento affidabile, il termovettore deve soddisfare una serie di requisiti:
Gli agenti di raffreddamento sono utilizzati per la rimozione dell’energia termica in eccesso con flussi tecnologici e apparecchiature, a seconda dell'applicazione. Per il raffreddamento fino a temperature di ≈10-30 °C si utilizzano termovettori d’acqua e aria, più comuni ed economici per lo scambio di calore. In caso di necessità di raffreddamento fino a temperature inferiori si utilizzano termovettori a bassa temperatura.
Il raffreddamento ad acqua prevede l'utilizzo di scambiatori di calore a superficie e, più raramente, di scambiatori di calore di miscelazione. Quando si utilizza il raffreddamento ad acqua è necessario considerare i seguenti aspetti:
A differenza di quello ad acqua, il raffreddamento ad aria è più spesso utilizzato in scambiatori di calore di miscelazione. Ciò è dovuto principalmente al fatto che l'aria ha un basso coefficiente di trasferimento di calore, per cui è necessario un significativo aumento della superficie di scambio termico e di consumo del fabbisogno d'aria. Ma nonostante questo, il raffreddamento ad aria ha una serie di vantaggi che influenzano la durata di servizio della macchina (non ha un’azione corrosiva e non sporca la superficie di scambio termico).
Il raffreddamento fino a temperature inferiori a 0 °C viene effettuato con liquidi a bassa temperatura, come ad esempio: il freon, l’ammoniaca, il biossido di carbonio e le soluzioni saline refrigeranti. Per questo sono previsti speciali impianti di refrigerazione che funzionano a circuito chiuso.
In linea con il proprio scopo funzionale, ci sono scambiatori di calore dei seguenti tipi:
In base al tipo di progettazione, gli scambiatori di calore possono essere dei seguenti tipi:
In base al metodo di trasmissione del calore, le apparecchiature di scambio di calore possono essere:
Gli scambiatori di calore a superficie termica trasferiscono il calore per mezzo di paratie rigide separate. Gli scambiatori di calore di miscelazione trasferiscono il calore attraverso il contatto diretto tra materiali di lavoro (cioè di miscelazione) caldi e freddi.
Le apparecchiature a superficie termica sono classificate nelle seguenti tipologie:
Gli scambiatori di calore recuperatori trasferiscono il calore attraverso una parete separatrice con una speciale superficie per lo scambio termico (o superficie di riscaldamento). Anche gli scambiatori di calore rigenerativi dispongono di una parete riscaldante ma il processo di trasferimento di calore è diverso da quello dello scambiatore di calore recuperatore. Negli apparecchi di questo tipo entrambi i termovettori, a turno, si mettono in contatto con la stessa parete che man mano accumula calore in base al passaggio del flusso caldo e dà calore al passaggio del flusso freddo. I rigenerativi sono in grado di funzionare solo in modalità periodica. Gli scambiatori di calore recuperatori sono in grado di funzionare in entrambe le modalità: continua e periodica.
Le camicie di riscaldamento/raffreddamento sono il tipo più semplice tra gli scambiatori di calore. Queste camicie circondano il corpo dello scambiatore e formano lo spazio anulare dove si muove il termovettore necessario (vapore o acqua). Questi dispositivi sono dotati di agitatori meccanici per l'intensificazione dei processi di trasferimento di calore.
Gli scambiatori di calore a fascio tubiero sono caratterizzati da una costruzione semplice, di piccole dimensioni, con un alto livello di trasferimento di potenza termica e un prezzo adeguato. Questo tipo di scambiatori di calore ha una vasta applicazione nel settore della produzione chimica. La struttura dello scambiatore di calore a fascio tubiero è costituita da un serbatoio fatto a forma di cilindro che è integrato con una sezione di tubi. La sezione di tubi è un blocco di tubi, posati parallelamente, che sono fissati ad una piastra tubiera oppure ad una tavola. Lo scambiatore di calore a fascio tubiero è dotato di due camere (cavità): la cavità tubiera e la cavità del corpo. Nella sezione dei tubi scorre una sostanza, mentre nello spazio tubiero intermedio del corpo un’altra. L'efficienza del processo di scambio termico aumenta tramite la rotazione dei pannelli di direzione nel corpo, cosa che favorisce il cambiamento di direzione del flusso dei materiali di lavoro.
Nello scambiatore di calore, dotato di due piastre tubiere, i materiali di lavoro possono fluire in due modalità:
Nella data struttura, l'accesso ai tubi da fuori è difficile e perciò il materiale di lavoro, che si trova all'interno del corpo, non deve permettere la formazione di depositi. È possibile pulire i tubi in tali dispositivi solo dopo aver rimosso i gusci laterali.
La struttura dello scambiatore di calore con forma dei tubi ad U si presenta come una piastra tubiera in cui sono inseriti tubi a forma di U. La parte arrotondata del tubo si appoggia liberamente sui pannelli di indirizzamento nella cavità del corpo. Tra i vantaggi di questo tipo di struttura può essere indicata la possibilità di estendere in modo lineare i tubi, cosa che prevede la possibilità di lavorare in presenza di una grande caduta di temperatura. Per questo, per pulire il tubo, è necessario rimuovere dal corpo tutta la sezione di tubi. La pulizia è possibile solo attraverso la pulizia chimica.
Gli scambiatori di calore a fascio tubiero possono essere utilizzati in qualità di condensatori. In tali casi, gli scambiatori di calore vengono posizionati in verticale o in posizione inclinata. Nella cavità del corpo entra il vapore dove si condensa. La condensa si accumula nella cavità e dopo di che viene fatta fuoriuscire. I vapori che non si condensano, vengono fatti fuoriuscire tramite una valvola di espulsione. Il materiale di lavoro scorre attraverso i tubi.
Gli scambiatori di calore a fascio tubiero sono spesso utilizzati negli evaporatori, dove vengono installati in posizione verticale oppure inclinata. Il materiale di lavoro da far evaporare scorre verso il basso attraverso tubi aperti. In seguito bolle e sotto forma di bolle di vapore viene spruzzato nella camera dell'evaporatore. Il vapore riscaldante si trova all'interno della cavità del corpo. In base alla modalità selezionata, gli evaporatori possono essere:
Lo scambio di calore delle sostanze (dei liquidi, dei gas, dei materiali granulari) in caso di contatto diretto o di miscela si differenzia per il massimo grado di intensità. L'applicazione di tale tecnologia è dettata dalla necessità di processo. Per la miscelazione di liquidi si applica:
Il riscaldamento dei liquidi può essere effettuato per mezzo della condensazione in essi del vapore. Il vapore viene immesso attraverso molteplici fori nel tubo che è ricurvato a forma di cerchio o di spirale e si trova nella sezione posteriore dell'apparecchio. Il dispositivo che fornisce il flusso di questo processo tecnologico si chiama gorgogliatore.
Il raffreddamento di un liquido fino ad una temperatura vicina a 0°C può essere effettuata tramite l'immissione di ghiaccio, che quando si scioglie è in grado di assorbire fino a 335 kJ/kg di calore oppure di gas liquefatti neutri, caratterizzati da una bassa temperatura di evaporazione. A volte vengono utilizzati composti refrigeranti che assorbono il calore dopo la dissoluzione in acqua.
Il liquido può riscaldarsi attraverso il contatto con il gas caldo e raffreddarsi, di conseguenza, attraverso il contatto con quello freddo. Tale processo è garantito da depuratori (apparecchi verticali), in cui il flusso del liquido di raffreddamento o di riscaldamento scorre verso il flusso di gas ascendente. È possibile riempire il lavatore con diversi ugelli, con l'obiettivo di aumentare la superficie di contatto. Gli ugelli rompono il flusso del liquido in piccoli rivoli.
Al gruppo degli scambiatori di calore di miscelazione appartengono anche i condensatori di miscelazione, la cui funzione consiste nella condensazione di vapori attraverso il loro diretto contatto con l'acqua. I condensatori di miscelazione possono essere di due tipi:
Per aumentare l'area di contatto del vapore e del liquido, il flusso di liquido è suddiviso in piccoli rivoli.
Molti impianti chimici generano un gran numero di calore secondario che non viene rigenerato in scambiatori di calore e non può essere riutilizzata nei processi. Questo calore viene emanato nell'ambiente esterno e quindi c'è la necessità di ridurre al minimo le possibili conseguenze. Per questi fini vengono utilizzati diversi tipi di dispositivi di raffreddamento.
La struttura dei refrigeratori con tubi alettati è costituita da una serie di tubi alettati, all'interno dei quali scorre il liquido raffreddato. La presenza delle alette, cioè di alette strutturali, aumenta notevolmente la superficie di raffreddamento. Le alette di raffreddamento vengono flussate da ventilatori.
Questo tipo di dispositivi di raffreddamento viene utilizzato nei casi in cui non vi sia la possibilità di raccolta dell’acqua per scopi di raffreddamento: ad esempio sul luogo di installazione di impianti chimici.
La struttura del dispositivo di raffreddamento a spruzzo si presenta come delle file di serpentine montate in serie, all'interno delle quali si muove il liquido da raffreddare. Le serpentine sono costantemente spruzzate con acqua e per questo avviene l’aspersione.
Il principio di funzionamento di una torre di raffreddamento consiste nel fatto che l'acqua riscaldata viene spruzzata nella parte superiore della struttura, dopo di che scende giù per la guarnizione. Nella parte inferiore della struttura grazie all’aspirazione naturale, oltre all’acqua corrente scorre un flusso d’aria che assorbe parte del calore dell'acqua. Inoltre, una parte dell'acqua evapora durante il processo di generazione, il cui risultato è la perdita di calore.
Tra gli svantaggi di questa struttura ci sono le sue gigantesche dimensioni. L'altezza di una torre di raffreddamento può raggiungere i 100 m. Un vantaggio indiscutibile di questo dispositivo di raffreddamento è il suo funzionamento senza energia ausiliaria.
Le torri di raffreddamento, sono dotate di ventilatori, lavorano per analogia. Con la differenza che l'aria viene iniettata attraverso il ventilatore. È opportuno sottolineare che la struttura con il ventilatore notevolmente più compatta.
Nella produzione degli scambiatori di calore vengono utilizzati materiali diversi. Tra i requisiti importanti per la scelta del materiale di realizzazione degli apparecchi vi sono proprietà come la conducibilità termica e la resistenza alla corrosione. Il materiale selezionato ha un impatto significativo sulla progettazione dello scambiatore di calore. I materiali più adeguati alla costruzione sono metalli come: acciai al carbonio e leghe dell’acciaio, il titanio e le sue leghe, il rame. Insieme ai metalli vi è un’ampia applicazione di materiali non metallici.
Gli scambiatori di calore di rame sono adatti per i materiali di lavoro chimicamente puri e non aggressivi, come per esempio, l’acqua dolce. Questo materiale ha un alto coefficiente di trasferimento di calore. Uno svantaggio di tali scambiatori di calore è un costo piuttosto elevato.
La soluzione ottimale per i materiali di lavoro acquei depurati è l’ottone. Rispetto allo scambiatore di calore in rame è più economico e ha caratteristiche migliori per quel che riguarda la resistenza alla corrosione e la durevolezza. E vale anche la pena notare che alcune leghe di ottone sono resistenti all'acqua salata e alle alte temperature. Gli svantaggi di questo materiale sono il basso tasso di conduttività elettrica e termica.
La soluzione più comune nella scelta del materiale per gli scambiatori di calore è l’acciaio. L’aggiunta nella composizione di diversi tipi di leghe consente di migliorare le sue caratteristiche meccaniche, fisico-chimiche e di estenderne il campo di applicazione. A seconda delle leghe aggiunte, l’acciaio inossidabile può essere utilizzato per materiali di lavoro alcalini, acidi con varie impurità e ad alte temperature di lavoro.
Il titanio e le sue leghe sono materiali di alta qualità con caratteristiche di alta resistenza e conducibilità termica. Questo materiale è molto leggero e può essere usato con una vasta gamma di temperature di lavoro. Il titanio e i suoi derivati mostrano una buona resistenza alla corrosione rispetto alla maggior parte dei materiali di lavoro di carattere acido o alcalino.
I materiali non metallici sono utilizzati nei casi in cui è richiesto lo svolgimento il processo di scambio di calore con materiali di lavoro particolarmente aggressivi e corrosivi. Sono caratterizzati da un alto valore di conducibilità termica e di resistenza alle sostanze chimicamente più attive, cosa che li rende materiali insostituibili utilizzabili in molti dispositivi. I materiali non metallici si dividono in due tipi: organici e inorganici. Tra gli organici troviamo i materiali a base di carbonio, come la grafite e plastiche. In qualità di materiali inorganici vengono utilizzati silicati e ceramiche.
I processi di scambio di calore si verificano in apparecchi di diversi modelli e campi di impiego. Nella scelta della macchina vale la pena di prendere in considerazione gli aspetti tecnologici del processo di trasferimento di calore da intraprendere, le proprietà fisiche e chimiche dei materiali di lavoro e le caratteristiche costruttive degli apparecchi. Così, per l'esecuzione di un processo di scambio di calore di processo è possibile utilizzare diversi tipi di apparecchi e termovettori in diversi stati di aggregazione. Ad esempio, per il riscaldamento o il raffreddamento di liquidi o di gas possono essere utilizzati sia apparecchiature a fascio tubiero, che a piastre e a spirale.
Durante la scelta degli scambiatori di calore devono essere tenute presenti le seguenti regole per quanto riguarda lo spostamento dei termovettori:
Attrezzatura per lo scambio di calore, incenerazione
Diventando il vostro distributore ufficiale degli scambiatori di calore e apparecchiature per lo scambio di calore, l’azienda “Intech GmbH” LLC (ООО «Интех ГмбХ») individuerà gli acquirenti dei vostri prodotti sul mercato russo e svolgerà con i clienti le trattative tecnico-commerciali al fine di stipulare i contratti per la fornitura dei vostri macchinari.
Nel caso dello svolgimento di gare di appalto l’azienda raccoglie elabora tutti i documenti necessari per la partecipazione, stipula i contratti per la fornitura dei vostri macchinari provvede alla registrazione del contratto di fornitura e allo sdoganamento degli scambiatori di calore e apparecchiature per lo scambio di calore, registra presso le banche russe la documentazione prevista dal controllo valutario e necessario per poter effettuare i pagamenti in valuta estera.
All'occorrenza la nostra azienda è disposta a sviluppare anche i progetti per integrare il vostro macchinario con gli impianti già esistenti o con quelli in fase di realizzazione.
Siamo sicuri che la nostra azienda “Intech GmbH” LLC (ООО «Интех ГмбХ») potrà diventare il vostro partner e il vostro distributore in Russia affidabile, valido e qualificato.
Siamo sempre aperti alla collaborazione: continuiamo a crescere insieme!
