Lo scambiatore di calore a piastre è un apparecchio dalla struttura relativamente semplice, duraturo e privo di parti in movimento. In un impianto di riscaldamento progettato ed esercito correttamente può funzionare per molti anni. Il processo di brasatura sottovuoto, effettuato a temperature che raggiungono anche alcune centinaia di gradi Celsius, fa sì che si tratti generalmente di una costruzione davvero resistente. Alcuni produttori, tra cui Nordic Tec, registrano un tasso di difettosità inferiore a 3 pezzi su 1000 unità installate nei primi 2 anni di utilizzo. Questo non significa però che sia completamente immune a condizioni di esercizio inadeguate. Cosa può danneggiare uno scambiatore di calore? Quali condizioni dell'impianto possono nuocergli?
Depositi, impurità nell'impianto, pressione troppo elevata, colpi d'ariete (il cosiddetto colpo di ariete idraulico) oppure il congelamento del fluido? O forse l'azione lenta di altri fattori. In effetti ce ne sono diversi, e alcuni possono risultare piuttosto sorprendenti.
Quali sono i pericoli maggiori per uno scambiatore di calore a piastre e come è possibile prevenirli?
Uno dei problemi più frequenti sono le impurità che circolano insieme all'acqua dell'impianto. Tra queste rientrano, tra l'altro, i prodotti della corrosione, i fanghi, i residui di montaggio dell'impianto e i frammenti di materiali sigillanti.
Nello scambiatore di calore a piastre il fluido scorre attraverso canali relativamente stretti formati tra le piastre successive. Ciò consente di ottenere un'ampia superficie di scambio termico con dimensioni ridotte dell'apparecchio, ma allo stesso tempo può rendere lo scambiatore più sensibile alle impurità rispetto a un componente dell'impianto dotato di canali di flusso più larghi.
L'accumulo di depositi può causare:
un aumento della resistenza al flusso
una diminuzione dell'efficienza dello scambio termico,
un flusso irregolare attraverso lo scambiatore,
un aumento del carico sulla pompa di circolazione,
un'ostruzione progressiva dei canali.
Occorre prestare particolare attenzione agli impianti di riscaldamento più datati, nei quali per molti anni possono essersi accumulati prodotti della corrosione. Prima di installare un nuovo scambiatore in un impianto vecchio conviene quindi lavarlo accuratamente. In molti casi è consigliabile anche l'utilizzo di un filtro adeguato o di un defangatore.
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La chimica delle piscine, e in particolare un'elevata concentrazione di cloro e cloruri, in combinazione con essa, può rappresentare un serio pericolo per uno scambiatore di calore a piastre realizzato in acciaio inossidabile. Un contatto prolungato con acqua chimicamente aggressiva può portare alla corrosione delle piastre, inclusa la corrosione da vaiolatura (pitting), e di conseguenza alla formazione di microperdite e a un passaggio di fluido tra i circuiti. Il rischio aumenta con l'aumentare della temperatura e della concentrazione di cloruri.
Particolarmente pericolosa è la situazione in cui la chimica delle piscine fortemente concentrata raggiunge direttamente lo scambiatore, ad esempio a causa di un posizionamento inadeguato del sistema di dosaggio. Per questo motivo, negli impianti per piscine occorre prestare attenzione non solo ai parametri di funzionamento dello scambiatore, ma anche alla sua realizzazione in termini di materiali e alla resistenza alla composizione chimica dell'acqua. Per gli impianti per piscine più esigenti si utilizzano scambiatori speciali per piscine realizzati con materiali dalla resistenza superiore all'azione dell'acqua clorata o salata, ad esempio scambiatori in titanio.
Vale la pena saperlo - per i motivi sopra indicati, alcuni produttori non offrono garanzia sull'utilizzo di scambiatori a piastre nella tecnica delle piscine. Tra questi rientra anche Nordic Tec.
Un potenziale pericolo per lo scambiatore di calore a piastre può essere rappresentato anche da un'acqua preparata in modo inadeguato, utilizzata per riempire l'impianto di riscaldamento. Un'attenzione particolare meritano gli impianti domestici di trattamento che utilizzano addolcitori d'acqua a resine rigenerati con sale. Si tratta di una situazione piuttosto imprevedibile e paradossale, poiché questi dispositivi vengono pubblicizzati come la salvezza per gli impianti di riscaldamento - la soluzione contro l'acqua dura.
Chi li utilizza presume che, essendo in vendita, debbano essere ammessi all'uso con ogni componente dell'impianto di riscaldamento, e che il sale aggiunto all'impianto non sia probabilmente dannoso. Tuttavia conosciamo tutti l'effetto del sale: si tratta di una sostanza estremamente aggressiva. Anche se non è in grado di danneggiare grandi blocchi d'acciaio (ad esempio nelle navi che solcano il mare), danneggerà sicuramente le piastre dello scambiatore, che per la loro funzione di trasmissione del calore devono essere estremamente sottili.
L'aggiunta di sale all'addolcitore d'acqua, prima o poi, renderà necessaria la sostituzione dello scambiatore a piastre.
Lo stesso vale nel caso degli scambiatori utilizzati in impianti con caldaie a elettrodi - qualora per il trattamento dell'acqua nel circuito venga utilizzato sale.
✅ Riassumendo - il sale è il nemico assoluto degli scambiatori di calore. In presenza di acqua dura sono ammessi addolcitori d'acqua non basati su resina a scambio ionico o che non richiedono l'aggiunta di sale, ad esempio addolcitori a flusso, anche se non sono efficaci quanto quelli che richiedono il sale. Non esiste una quantità sicura di sale in un impianto dotato di scambiatore a piastre.
In effetti, in molti luoghi gli impianti di demineralizzazione svolgono un ruolo utile e desiderato, a volte sono persino consigliati, in alcune regioni con acqua particolarmente dura. Il problema è che un livello di durezza dell'acqua critico, tale da giustificare l'uso di un simile impianto, in pratica si verifica molto raramente. L'acqua dura è la norma in Europa (forse a eccezione della Scandinavia), e non ogni acqua dura è già un'indicazione per l'uso di impianti di demineralizzazione. In pratica, questi impianti si rivelano una soluzione molto radicale.
Nella maggior parte dei casi gli impianti di demineralizzazione o deionizzazione vengono acquistati e installati a scopo preventivo e sono molto spesso sovradimensionati. In queste condizioni è molto facile esagerare. L'acqua demineralizzata o deionizzata, se privata troppo intensamente di ioni e minerali, tende a raggiungere un equilibrio fisico-chimico. Per questo motivo attacca le saldature nonché i metalli e altri materiali presenti nell'impianto. Ciò porta semplicemente a un aumento del tasso di guasti dei componenti brasati, come ad esempio gli scambiatori di calore, ma anche di quelli saldati, come ad esempio i collettori per caldaia.
Non vi è dubbio che sia problematico il fatto che su internet si trovino numerose informazioni incentrate sull'effetto positivo dell'acqua demineralizzante, poiché solo per una parte dei dispositivi può essere dannosa, e poiché l'uso moderato di un impianto di demineralizzazione correttamente dimensionato - senza sovradimensionamento - in linea di principio non dovrebbe portare a simili situazioni. Tuttavia, se si utilizza uno scambiatore di calore, vale la pena chiedersi se un impianto di demineralizzazione sia davvero necessario. Nella maggior parte dei casi da noi analizzati, in cui uno scambiatore di calore è stato danneggiato dall'acqua demineralizzata, il livello di durezza dell'acqua non era affatto superiore alla media. Il paradosso sta nel fatto che un tale livello di durezza consente allo scambiatore una durata di vita anche di 12 o 15 anni. L'acqua demineralizzata può invece renderlo non a tenuta nel giro di pochi mesi.
Un altro pericolo è rappresentato dal deposito di composti minerali presenti nell'acqua. Il problema può essere particolarmente evidente negli impianti che vengono spesso rabboccati con acqua fresca e dura - gli impianti aperti sono quindi più esposti a questo problema.
Lo strato di deposito presente sulla superficie delle piastre agisce come un isolante. Anche se il flusso attraverso lo scambiatore rimane possibile, la sua efficienza può diminuire progressivamente.
In pratica si può allora osservare una situazione in cui le temperature su un lato dello scambiatore sono corrette, mentre sull'altro lato diventa sempre più difficile raggiungere i parametri attesi.
Il rischio di formazione del calcare aumenta, tra l'altro, con l'aumentare della temperatura e con il frequente rabbocco di acqua fresca nell'impianto.
Se l'impianto richiede un rabbocco regolare di acqua, conviene innanzitutto individuare la causa della perdita. Il continuo rabbocco di acqua fresca non dovrebbe essere considerato come una normale modalità di esercizio di un impianto di riscaldamento a tenuta.
Ogni scambiatore di calore a piastre ha una pressione di esercizio massima ammissibile definita dal produttore. Il suo superamento può portare a un danneggiamento permanente dell'apparecchio.
Può essere pericoloso sia un'esposizione prolungata a una pressione troppo elevata, sia picchi improvvisi e di breve durata. Per questo motivo lo scambiatore dovrebbe essere scelto non solo in base alla potenza richiesta, alle temperature e al flusso, ma anche ai parametri di pressione del singolo impianto. È particolarmente importante verificare quale sia la pressione massima che può effettivamente verificarsi nell'impianto, e non solo quella osservata durante il normale funzionamento.
In pratica, questo problema si riduce spesso all'utilizzo di scambiatori di calore liquido-liquido, ovvero destinati a fluidi standard e classici, senza refrigerante. I refrigeranti del tipo R410a, R32, R407c e simili - che si incontrano nelle pompe di calore o nei climatizzatori - raggiungono semplicemente pressioni molto più elevate. Per questi occorre utilizzare scambiatori dedicati ai refrigeranti, condizione indispensabile per la loro sopravvivenza nell'impianto.
Un improvviso cambiamento della velocità di flusso di un liquido può provocare un brusco aumento di pressione definito come colpo d'ariete. Ciò può verificarsi in diverse situazioni, tra cui la chiusura molto rapida di una valvola, l'avvio improvviso di una pompa o un brusco cambiamento delle condizioni di flusso, l'avvio improvviso del flusso e un funzionamento a scatti, intermittente.
Lo scambiatore può quindi funzionare a una pressione statica apparentemente sicura, pur essendo periodicamente esposto a carichi momentanei molto più elevati.
Negli impianti che utilizzano scambiatori a piastre conviene evitare l'apertura e la chiusura brusca della rubinetteria e i cambiamenti improvvisi del flusso. Questo, del resto, è indicato dalla maggior parte dei produttori nelle condizioni d'uso, nelle condizioni di garanzia o nei manuali d'istruzione.
Gli scambiatori di calore a piastre vengono talvolta utilizzati per raffreddare motori, compressori e altri apparecchi o macchinari industriali, dove possono, ad esempio, raffreddare olio idraulico. In queste applicazioni, un pericolo per lo scambiatore può essere rappresentato già dalle sole vibrazioni trasmesse dalla macchina in funzione allo scambiatore e all'impianto. Se lo scambiatore viene montato direttamente su un apparecchio che genera forti vibrazioni, oppure collegato ad esso tramite tubazioni rigide, i carichi ripetuti possono col tempo causare fatica del materiale, tensioni nella zona dei raccordi, delle giunzioni brasate e delle piastre stesse. Il rischio aumenta nel caso di grandi compressori, motori a combustione e apparecchi che lavorano ciclicamente, in particolare durante l'avvio e l'arresto.
Il vero problema è tuttavia il ritmo di lavoro caratteristico e poco regolare di tali apparecchi, che si può definire irregolare e discontinuo. In particolare nei compressori o nei motori che raggiungono rapidamente alti regimi e poi cambiano modalità di funzionamento, prima o poi si verificano colpi d'ariete.
Per questo motivo è bene tenere presente che anche uno scambiatore che lavora a pressione e temperatura corrette, collegato a un motore o a un compressore, può perdere tenuta prematuramente.
✅ L'utilizzo di uno scambiatore con un motore o un compressore genera un numero significativamente maggiore di danni agli scambiatori rispetto al normale utilizzo in un impianto di riscaldamento domestico. Se si sceglie uno scambiatore per questo tipo di applicazione, verificare se si avrà diritto alla garanzia - ogni produttore può avere regolamenti diversi al riguardo.
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I danni agli scambiatori possono derivare anche da errori di installazione.
Particolarmente pericoloso è il trasferimento di tensioni dalla tubazione direttamente ai raccordi dello scambiatore. Ciò può verificarsi se i tubi sono mal adattati, se lo scambiatore viene utilizzato come elemento di sostegno dell'impianto, oppure se durante il montaggio viene applicata una forza eccessiva. Le tubazioni dovrebbero essere fissate e sostenute correttamente, in modo che il loro peso e le tensioni che si generano non gravino sui raccordi dello scambiatore.
Occorre inoltre prestare attenzione al modo in cui vengono serrati i collegamenti. Una forza eccessiva non migliora la tenuta dell'impianto, ma può causare il danneggiamento del raccordo o della sua connessione con lo scambiatore.
✅ Gli scambiatori a piastre dovrebbero essere montati in verticale.
Una posizione di montaggio errata dello scambiatore di calore a piastre può causare problemi di sfiato e di corretto flusso del fluido. Questo, naturalmente, comporta che l'impianto non funzioni correttamente - o non funzioni affatto, in caso di blocco.
Nel caso di un montaggio orizzontale, a seconda della costruzione dello scambiatore e della disposizione dei raccordi, nei suoi canali possono formarsi sacche d'aria. L'aria riduce l'effettiva superficie di flusso, peggiora lo scambio termico e può causare un carico termico non uniforme in singole zone dello scambiatore. Particolarmente pericolosa è la situazione in cui il flusso viene fortemente ridotto o temporaneamente arrestato, mentre l'altro lato dello scambiatore continua a fornire una grande quantità di calore e le pompe di circolazione sono in funzione. In tal caso possono verificarsi surriscaldamenti localizzati, bruschi sbalzi di temperatura e tensioni termiche, nonché aumenti di pressione che, in condizioni estreme, possono contribuire alla perdita di tenuta dello scambiatore. Per questo motivo la posizione di montaggio va sempre scelta in conformità alla documentazione del produttore, e l'impianto deve essere realizzato in modo da consentire uno sfiato efficace di entrambi i circuiti. Per i modelli a piastre si adotta generalmente la posizione verticale.
Su questo argomento abbiamo già scritto in modo più approfondito in un articolo dedicato, poiché si tratta di un fenomeno frequente - soprattutto nel contesto delle pompe di calore geotermiche, che come sappiamo prelevano acqua dalla falda (la cosiddetta salamoia), ma talvolta anche da fiumi, stagni o pozzi. Chi installa lo scambiatore per proteggere la pompa di calore spesso non considera che lo scambiatore stesso è in pratica altrettanto sensibile all'acqua di falda.
Perché questo tipo di acqua rappresenta un problema e può causare la perdita di tenuta degli scambiatori? Perché contiene cloruri dannosi (in casi estremi con un'azione persino simile a quella del sale) e un eccesso di sali minerali dannosi. Particolarmente pericolosi sono il ferro, il manganese e il calcio. Come per altre applicazioni problematiche, per l'acqua di pozzo o di falda sono necessari scambiatori speciali. Utilizzando uno scambiatore classico (che per sua natura è destinato all'acqua di rete, quindi già preventivamente trattata) ci si espone al rischio di una perdita di tenuta che si verifica al di fuori del periodo di garanzia.
✅ Per l'acqua di pozzo e di falda di qualsiasi tipo è preferibile utilizzare scambiatori guarnizionati (smontabili). Questi sono smontabili e consentono la sostituzione di un singolo componente, ad esempio di una piastra o di una guarnizione non a tenuta. In tal caso, in presenza di una perdita, lo scambiatore può essere semplicemente riparato in modo relativamente economico. Utilizzando in questo tipo di applicazione uno scambiatore brasato, dopo la perdita di tenuta non sarà possibile alcun intervento di questo tipo.
Uno scambiatore di calore a piastre brasato può funzionare in un impianto di riscaldamento per molti anni, a condizione che sia stato scelto, installato e protetto correttamente.
Tra i pericoli più importanti rientrano le impurità e la magnetite, il calcare, il congelamento del fluido, il superamento della pressione o della temperatura ammissibile, i colpi d'ariete, un fluido non idoneo, nonché errori di installazione.
Molti guasti definiti colloquialmente come "danneggiamento dello scambiatore" sono in realtà la conseguenza di problemi che si verificano nell'intero impianto, oppure di una scelta errata dello scambiatore rispetto all'applicazione o ad altri apparecchi presenti nell'impianto, che non dovrebbero funzionare insieme allo scambiatore. Per questo motivo, in caso di calo delle prestazioni dello scambiatore, conviene cercare non solo un modo per pulirlo o sostituirlo, ma soprattutto la causa che ha portato al peggioramento del suo funzionamento.
L'eliminazione di questa causa permette di proteggere sia lo scambiatore sia gli altri componenti dell'impianto di riscaldamento.
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