Per conoscere il funzionamento di uno scambiatore di calore a piastre serve conoscere i parametri o saperli calcolare.
Per risolvere un problema termico, è necessario conoscere alcuni parametri, mentre altri possono essere calcolati con l’aiuto di questi ultimi.
I sei parametri più importanti da conoscere sono:
- La quantità di calore da trasferire (potenzialità termica);
- La temperatura di ingresso e uscita dal lato primario e secondario;
- Le perdite di carico massime consentite sul lato primario e secondario;
- La temperatura di esercizio massima;
- La pressione di esercizio massima;
- La portata sul lato primario e secondario;
- Le tipologie di fluidi.
Se la portata, il calore specifico e la differenza di temperatura su un lato sono note, è possibile calcolare la potenzialità.
Funzionamento scambiatore di calore
Programma termico
Indica la temperatura di ingresso e uscita di entrambi i fluidi nello scambiatore di calore.
- T1 = Temperatura di ingresso − lato caldo
- T2 = Temperatura di uscita − lato caldo
- T3 = temperatura di ingresso − lato freddo
- T4 = Temperatura di uscita − lato freddo
Il programma termico è rappresentato nello schema seguente.
Potenza
Senza tener conto delle dispersioni di calore nell’atmosfera, che sono trascurabili, il calore perso (potenza) da un lato dello scambiatore di calore a piastre è equivalente al calore acquisito dall’altro lato. La potenza (P) è espressa in kW o kcal/h.
Differenza media di temperatura logaritmica
La differenza media di temperatura logaritmica (LMTD) è la forza di trasmissione effettiva nello scambiatore di calore. (Vedi formula sopra)
Lunghezza termica
La lunghezza termica (Θ) è il rapporto tra la differenza di temperatura δt su un lato e la LMTD
Θ=δt/LMTD
La lunghezza termica indica la difficoltà di un’applicazione dal punto di vista termico.
Densità
La densità (ρ) è la massa per unità di volume ed è espressa in kg/m3 o kg/dm3.
Raffreddamento
In alcuni casi, come nelle applicazioni di raffreddamento, il programma termico è molto critico e necessita approcci precisi a seconda delle diverse temperature. Questo è quello che definiamo come elevata lunghezza termica e richiede unità specifiche. Per elevata lunghezza termica intendiamo casi con valori di Θ > 1 e sono caratterizzati da:
- piastre lunghe, quindi più tempo necessario per il raffreddamento del liquido
- bassa pressione, quindi peggiore distribuzione del liquido da raffreddare.
Gli scambiatori di calore a piastre sono migliori degli scambiatori a fascio tubiero nella gestione di valori elevati di lunghezza termica. Gli scambiatori di calore a fascio tubiero possono arrivare a valori di theta ~ 1, mentre gli scambiatori di a piastre arrivano anche a valori superiori a 10. Per raggiungere questi valori, nel caso degli scambiatori a fascio tubiero, sarebbe necessario mettere più unità in serie.
Portata
Può essere espressa in due modi diversi: per peso o per volume. Le unità di flusso per peso sono in Kg/s o kg/h le unità di flusso per volume sono in m3/h o l/min. Per convertire le unità di volume in unità di peso, è necessario moltiplicare il flusso di volume per la densità.
La portata massima generalmente determina quale tipo di scambiatore di calore sia appropriato per uno scopo specifico. Gli scambiatori di calore a piastre Alfa Laval possono essere utilizzati per portate da 0,05 kg/s a 1400kg/s. In termini di volume, ciò equivale a 0,18 m3/h – 5000 m3/h in un’applicazione per acqua. Se la portata supera questi valori, sarà possibile suddividere la portata in più unità in parallelo.
Cadute di pressione
La caduta di pressione (Δρ) è inversamente proporzionale alle dimensioni dello scambiatore di calore a piastre. Se è possibile aumentare la caduta di pressione consentita e accettare costi di pompaggio maggiori, lo scambiatore di calore sarà di dimensioni inferiori e meno costoso. A titolo indicativo, cadute di pressione tra 20 e 200 kPa sono considerate normali per le applicazioni acqua/acqua.
Calore specifico
il calore specifico (cρ) è la quantità di energia necessaria per aumentare di un grado centigrado 1kg di sostanza. Il calore specifico dell’acqua a 20°C è 4182kJ/kg °C o 1,0 kcal/kg °C.
Viscosità
La viscosità misura la facilità di scorrimento di un liquido. Minore è la viscosità, maggiore sarà la facilità di scorrimento. La viscosità è espressa in centipoise (cP) o centistoke (cSt).
Coefficiente di scambio termico complessivo
Il coefficiente di scambio termico complessivo (k) misura la resistenza del trasferimento di calore, composta dalla quantità di sporcamento, dalla natura dei fluidi e dal tipo di scambiatore utilizzato. Il coefficiente di scambio termico complessivo è espresso un W/m2 °C o kcal/h, m2 °C
il diagramma mostra come ad elevate differenze di temperatura corrisponda un valore basso di theta
il diagramma mostra come a ridotte differenze di temperatura corrisponda un valore elevato di theta
Metodo di calcolo
Il carico di calore di uno scambiatore di calore può essere calcolato grazie alle due formule seguenti:
1. Calcolo Poenzialità, Theta e LMTD
Dove:
P= potenzialità (kW)
m= portata massica (kg/s)
cρ= calore specifico (kJ/kg°C)
δt= differenze tra le temperature di ingresso e uscita su un lato (°C)
k= coeffciente di scambio termico (W/m2°C)
A= area dello scambio termico (m2)
LMTD= differenza media di temperatura logaritmica
T1 = Temperatura di ingresso − lato caldo
T2 = Temperatura di uscita − lato caldo
T3 = temperatura di ingresso − lato freddo
T4 = Temperatura di uscita − lato freddo
LMTD può essere calcolata utilizzando la formula seguente, dove ΔT1 = T1 − T4 AND Δ2 = T3 − T3
2. Coefficiente di scambio termico e margine di progetto
Il coefficiente di scambio termico complessivo totale k è definito come:
Il margine di progetto (M) è calcolato come:
cioè, più alto è il valore Kc, inferiore sarà il valore Rf per raggiungere lo stesso margine di progetto.
Ogni parametro dell’equazione può influire sulla scelta dello scambiatore di calore. La scelta dei materiali, generalmente, influisce poco sull’efficienza, ma solo sulle proprietà di forza e corrosione dell’unità.
In uno scambiatore di calore a piastre, è possibile usufruire dei vantaggi derivanti da piccole differenze di temperatura e spessore delle piastre compreso tra 0,3 e 0,6mm. I valori alfa sono prodotti dalle turbolenza molto elevata e il fattore di sporcamento è generalmente molto ridotto. Ciò definisce un coefficiente k che, in circostanze favorevoli, può essere nell’oridne di 8000 W/m2°C.
Con gli scambiatori di calore tradizionali a fascio tubiero, il coefficiente k sarà inferiore a 2500 W/m2°C.
Fattori importanti per minimizzare il costo dello scambiatore di calore:
- Caduta di pressione – Più è elevata la caduta di pressione ammissibile, minore è la superficie di scambio termico necessaria.
- LMTD – Maggiore è la differenza di temperatura tra i fluidi, minore sarà la dimensione dello scambiatore di calore.
Materiali di costruzione
Nella maggior parte degli scambiatori di calore Alfa Laval per applicazioni acqua/acqua sono utilizzate piastre in acciaio inossidabile AISI 316 di altà qualità. Quando il contenuto di cloruro non impone la necessità di AISI 316, è possibile utilizzare materiale in acciaio inossidabile AISI 304, meno costoso. sono inoltre disponibili piastre in materiali diversi, per varie applicazioni. Per gli scambiatori di calore a piastre saldobrasate Alfa Laval, è sempre utilizzato acciaio inossidabile AISI 316. Per acqua di mare e acqua salmastra, è necessario utilizzare solo titanio di rado 1 (puro all 99,6%).
Limitazioni di temperatura e pressione
La temperatura e la pressione massima he uno scambiatore può raggiungere ne influenzano il costo. Come regola generale si può dire che, più basse sono le temperature e la pressione massima e più basso sarà il prezzo.
Sporcamento e fattori di sporcamento
Lo sporcamento consentito può essere espresso come margine di progetto (M) (cioè, una percentuale aggiuntiva dell’area di scambio termico) oppure come fattore di sporcamento, espresso in m2°C/W o M2h°C/kcal. Il fattore Rf deve essere di molto inferiore per uno scambiatore di calore a piastre rispetto a quello degli scambiatori di calore a fascio tubiero.
Valori k superiori implicano fattori di sporcamento inferiori
Il progetto degli scambiatori di calore a piastre implica una turbolenza, e di conseguenza un’efficienza termica, molto maggiore degli scambiatori a fascio tubiero. Un coefficiente k tipico (acqua/acqua) per uno scambiatore di calore a piastre è 6000-7500 W/m2°C, mentre uno scambiatore a fascio tubiero tipico restituisce solo 2000-2500 W/m2°C.
Un valore Rf tipico utilizzato per gli scambiatori a fascio tubiero è 1 x 10-4m2C/W. Con valori k pari a 2000-2500 W/m2°C, il Margine risulta del 20-25%. (M = Kc x Rf). Per ottenere M = 20-25% nello scambiatore di calore a piastre con 6000-7500 W/m2°C, il valore Rf, deve essere pari solo a 0,33 x 10-4m2 °C/W.
Differenza nel modo in cui è aggiunto il margine
Nello scambiatore di calore a fascio tubiero, il margine è generalmente aggiunto aumentando la lunghezza dei tubi, mantenendo lo stesso flusso in ogni tubo. In uno scambiatore di calore a piastre, il margine è aumentato aggiungendo canali paralleli, cioè diminuendo il flusso per canale e ottenendo così un rapporto turbolenza/efficienza minore, aumentando il rischio di sporcamento. Un fattore di sporcamento troppo elevato può provacare un maggiore sporcamento!
Per uno scambiatore di calore a piastre in applicazione acqua/acqua, un margine pari a 0-15%, dipendente dalla qualità dell’acqua è generalmente sufficiente.
