Scambiatori di calore | Usi, vantaggi e applicazioni

Cos’è uno scambiatore di calore tubolare?

Uno scambiatore di calore è un apparecchiatura di processo progettata per trasferire calore tra due fluidi (liquido, vapore, gas) o tra la superficie di un solido e un fluido in movimento.

La fabbricazione dello scambiatore di calore può essere realizzata in diverse qualità di acciaio inossidabile o leghe speciali, in grado di sopportare alte e basse pressioni di esercizio, nonché un ampio intervallo di temperature di processo. Nella fabbricazione degli scambiatori di calore, la saldatura è un aspetto fondamentale del processo. Gli scambiatori di calore tubolari sono apparecchiature di processo molto efficienti e le loro elevate velocità migliorano notevolmente il trasferimento di calore.

Dimensionamento di uno scambiatore di calore tubolare

Per dimensionare uno scambiatore di calore è necessario disporre di alcuni dati di partenza, quali la portata di processo, la temperatura iniziale e finale, nonché le proprietà fisiche del prodotto.

Un fattore essenziale per il calcolo e il dimensionamento di uno scambiatore di calore tubolare è poter caratterizzare il comportamento del prodotto in modo affidabile e preciso, mediante prove di laboratorio, dove è possibile determinare le principali proprietà del prodotto, quali:

• Densità.
• Calore specifico.
• Conducibilità termica.
• Viscosità.

Quali sono i componenti fondamentali di uno scambiatore di calore tubolare?

I componenti fondamentali di uno scambiatore di calore tubolare sono:

• Fascio tubiero: il fascio tubiero è l’insieme dei tubi che costituiscono la superficie di trasferimento del calore tra il fluido che circola al suo interno e il fluido che circola nel mantello. In questo insieme di tubi si trova il prodotto da riscaldare.
• Piastra tubiera: la piastra tubiera è una piastra metallica perforata o forata, dove sono alloggiati i tubi che formano lo scambiatore di calore tubolare, fissati mediante espansione o saldatura. Nel caso in cui sia necessaria una protezione extra contro le perdite, è possibile utilizzare una doppia piastra tubiera.
• Deflettori: lo scopo principale dei deflettori è quello di controllare la direzione generale del flusso sul lato del corpo.
• Corpo e connessioni: il corpo è l’involucro del secondo fluido o fluido secondario. Il corpo è generalmente di sezione circolare ed è costituito da una piastra di acciaio sagomata in forma cilindrica e saldata longitudinalmente. Il corpo è dotato di connessioni per l’ingresso e l’uscita del fluido secondario.
• Testate smontabili: Le testate smontabili sono elementi collegati alle piastre tubiere su entrambe le estremità dello scambiatore di calore, la cui funzione è quella di facilitare la circolazione del prodotto attraverso il fascio tubiero.

Tipi di scambiatori di calore tubolari

A seconda della progettazione, della natura del prodotto e dello spazio disponibile per l’installazione, lo scambiatore di calore tubolare può essere raggruppato in 3 gruppi principali:

• Scambiatore di calore tubo in tubo.
• Scambiatore di calore a corona anulare.
• Scambiatore di calore multitubolare.

Lo scambiatore di calore a tubi (noto anche come scambiatore di calore a doppio tubo) è costituito da due tubi concentrici di diverso diametro, dove il prodotto circola nel tubo interno e il servizio nello spazio tra i due tubi.

Lo scambiatore di calore a corona anulare è costituito da tre o quattro tubi concentrici. Il prodotto scorre nello spazio anulare centrale mentre il fluido di servizio scorre nei canali esterni e interni.

Lo scambiatore di calore multitubolare è costituito da un fascio tubiero racchiuso in un involucro. Il prodotto scorre nei tubi interni, mentre il fluido di servizio scorre nel canale esterno.

Principali utilizzi dello scambiatore di calore

In termini generali, i principali utilizzi degli scambiatori di calore sono:

• Aumentare la temperatura di un fluido utilizzando un altro fluido più caldo.
• Raffreddare un fluido utilizzando un altro fluido a temperatura inferiore.
• Condensare gas.
• Evaporare liquidi.

Vantaggi dello scambiatore di calore tubolare

La progettazione tubolare degli scambiatori di calore rappresenta una delle configurazioni più utilizzate tradizionalmente, grazie al suo buon funzionamento e alla sua versatilità. Tra i principali vantaggi degli scambiatori di calore tubolari, spiccano i seguenti fattori:

• Bassi costi di manutenzione.
• Alte pressioni di esercizio.
• Alte temperature di funzionamento.
• Lavorazione di fibre o particelle.
• Grande sicurezza nei processi asettici.
• Facile ispezione e smontaggio.
• Facile da ampliare.

Applicazioni dello scambiatore di calore tubolare

Lo scambiatore di calore è un’apparecchiatura di processo utilizzata in diversi settori industriali e le sue applicazioni sono molto diverse e varie. I vantaggi degli scambiatori di calore tubolari li rendono apparecchiature molto robuste, affidabili e con una manutenzione ridotta, grazie all’assenza di guarnizioni.

Tra le principali applicazioni degli scambiatori di calore tubolari, SACOME evidenzia le seguenti:

• Applicazioni sanitarie: sono quelle destinate all’industria alimentare, dove è necessario prestare particolare attenzione alle finiture, alla pulizia CIP e alla drenabilità dell’apparecchiatura.
• Applicazioni farmaceutiche: sono quelle destinate all’industria farmaceutica e biotecnologica, dove la certificazione della rugosità gioca un ruolo fondamentale e la cui progettazione è appositamente studiata per evitare la contaminazione incrociata.
• Applicazioni industriali: sono quelle destinate all’industria chimica e petrolchimica, dove è fondamentale garantire una lunga vita utile e l’alta affidabilità delle attrezzature.