Gli scambiatori di calore sono dispositivi utilizzati per un efficiente trasferimento di calore tra due sostanze separate. Esistono diversi tipi di scambiatori di calore, con applicazioni specifiche in vari settori. Gli scambiatori di calore funzionano trasferendo calore da un mezzo all'altro e possono essere impiegati nei sistemi di riscaldamento, raffreddamento e nell'industria. Sono una parte essenziale di molti processi industriali, consentendo il mantenimento di temperature ottimali. Grazie ai vari tipi di scambiatori di calore, è possibile adattarne la costruzione alle esigenze e ai parametri specifici dell'applicazione. Se vuoi conoscere i tipi di scambiatori di calore in base alle modalità di trasferimento del calore, alla loro costruzione e ai fluidi con cui possono lavorare, leggi il seguente articolo.
In base alla modalità di trasferimento del calore tra i fluidi, gli scambiatori di calore si dividono in scambiatori a contatto e senza contatto. In ambito industriale, si utilizzano molto più spesso i secondi. Di seguito, una spiegazione delle ragioni.
Gli scambiatori di calore a contatto sono dispositivi in cui i fluidi vengono a diretto contatto tra loro. Ciò consente di ottenere alti coefficienti di conduzione del calore. Inoltre, questi scambiatori permettono una facile realizzazione dello scambio termico tra più di due flussi di fluidi. Tuttavia, è importante ricordare che nella maggior parte delle applicazioni industriali è necessaria una trasmissione del calore senza miscelazione dei fluidi, cosa possibile solo grazie all'uso di scambiatori senza contatto, descritti di seguito.
Gli scambiatori di calore senza contatto sono dispositivi che consentono il trasferimento di energia termica tra due fluidi che non sono in diretto contatto tra loro. Tra questi dispositivi rientrano i recuperatori, che sono tra i più comuni nell'industria. Gli scambiatori a piastre e quelli a fascio tubiero sono esempi di recuperatori.
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Gli scambiatori di calore senza contatto sono così diffusi nell'industria per una ragione semplice: i fluidi che partecipano a molti processi hanno proprietà fisico-chimiche diverse e non dovrebbero mescolarsi tra loro (ad esempio, olio e acqua oppure glicole e acqua).
Gli scambiatori di calore possono essere classificati in base alla loro struttura in scambiatori a piastre e scambiatori a tubi. Essi differiscono non solo per la costruzione, ma anche per l’applicazione. Di seguito la loro descrizione.
Gli scambiatori di calore a piastre sono dispositivi costituiti da piastre metalliche che consentono un efficiente scambio termico tra fluidi a diverse temperature senza mescolarli. Grazie alla loro struttura, facilitano un rapido e efficace trasferimento di calore mediante meccanismi come la convezione. Le piastre all'interno dello scambiatore formano canali attraverso i quali scorrono i fluidi, offrendo un'ampia superficie di contatto che permette un trasferimento di energia termica molto efficiente. Gli scambiatori a piastre sono ampiamente utilizzati nell'industria, in particolare nei processi di raffreddamento e riscaldamento, contribuendo al risparmio energetico e all'incremento dell'efficienza dei sistemi termici. Si distinguono i seguenti tipi di scambiatori a piastre in base alla loro struttura:
Gli scambiatori di calore a tubi, detti anche scambiatori a fascio tubiero, sono dispositivi ampiamente utilizzati per un efficace scambio termico tra due fluidi. La loro struttura è composta da un mantello cilindrico al cui interno sono collocati tubi. Questo design permette a un fluido di scorrere intorno ai tubi mentre l’altro fluido scorre all'interno dei tubi, favorendo così il trasferimento di calore tra i fluidi. Gli scambiatori a fascio tubiero trovano applicazione in molti settori, tra cui l’industria chimica, alimentare ed energetica. Grazie alla loro efficacia e facilità d'uso, sono una componente essenziale dei processi di scambio termico in vari settori industriali.
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Gli scambiatori di calore sono generalmente associati a dispositivi in cui entrambi i fluidi sono liquidi (come acqua o glicole). Tuttavia, è importante sapere che gli scambiatori di calore possono trasferire calore anche tra gas o tra gas e liquidi. Esistono quindi diverse combinazioni di fluidi che possono essere trattate dagli scambiatori di calore:
Di seguito sono descritte le varie combinazioni di fluidi che possono operare con diversi tipi di scambiatori di calore.
Gli scambiatori di calore di tipo liquido-liquido sono dispositivi utilizzati per un'efficace scambio termico tra due liquidi con caratteristiche fisico-chimiche differenti (ad esempio, temperatura di esercizio, punto di congelamento, densità). Esempi di tali combinazioni includono: acqua-acqua, acqua-olio e acqua-glicole. Questi scambiatori trovano impiego in settori come l'industria chimica e l'energia. Grazie a questi dispositivi, è possibile trasferire calore tra fluidi diversi in modo efficiente e risparmiare energia, ottimizzando l'uso dell'energia disponibile.
Gli scambiatori di calore tipo gas-gas vengono utilizzati per trasferire calore tra due flussi di gas. Un esempio comune è il sistema aria-aria, dove il calore viene trasferito tra due flussi d'aria. Un altro esempio è lo scambiatore fumi-aria, in cui il calore dei fumi viene recuperato e riutilizzato negli impianti di riscaldamento, per riscaldare l'aria nelle camere di combustione dei forni e per l'essiccazione di combustibili solidi come legno o carbone. Gli scambiatori di calore gas-gas sono impiegati in vari settori, come l'industria chimica, energetica e alimentare.
Gli scambiatori di calore tipo liquido-gas sono dispositivi che consentono un efficiente trasferimento di calore tra un liquido e un gas. Questi scambiatori funzionano con le seguenti combinazioni di fluidi:
Gli scambiatori acqua-aria sono spesso utilizzati negli impianti di riscaldamento e climatizzazione, dove l'acqua riscaldata nelle caldaie cede calore all'aria, che viene poi distribuita negli ambienti. Gli scambiatori glicole-aria, invece, trovano applicazione in vari settori industriali e negli edifici residenziali. Ad esempio, uno scambiatore glicole-aria ha lo scopo di aumentare l'efficienza degli impianti di ventilazione utilizzati per riscaldare l'aria in inverno e raffreddarla in estate.
A questo tipo di scambiatori di calore appartengono, ad esempio, le seguenti serie di prodotti del produttore di scambiatori di calore NORDIC TEC:
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Gli scambiatori di calore differiscono anche per i materiali di costruzione. Uno dei materiali più comuni per la realizzazione degli scambiatori è l'acciaio inossidabile resistente agli acidi (316L), un materiale che offre elevata resistenza e ottime proprietà termiche. Un altro materiale molto usato è il titanio, caratterizzato da un’elevata resistenza alla corrosione anche in ambienti salini (come l'acqua di mare), mantenendo al contempo leggerezza e robustezza. Gli scambiatori di calore in titanio sono ampiamente utilizzati nell'industria chimica e petrolchimica, oltre che come scambiatori per piscine.
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