Cosa sono gli scambiatori di calore a piastre?
Gli scambiatori di calore a piastre sono tra i tipi più diffusi di scambiatori di calore utilizzati attualmente; un altro tipo comune è il scambiatore di calore a fascio tubiero. Anche lo scambiatore di calore a spirale trova applicazione in ambito industriale, sebbene il suo utilizzo sia meno frequente rispetto agli altri due tipi di scambiatori di calore.
Gli scambiatori di calore a piastre sono ampiamente utilizzati nell'ingegneria grazie alla loro efficienza, robustezza e facilità di manutenzione.
Scambiatore di Calore a Piastre Assemblato
Componenti dello Scambiatore di Calore a Piastre (PHE)
Gli scambiatori di calore a piastre sono composti da un numero relativamente ridotto di componenti. Essendo progettati per il trasferimento di calore, necessitano di ingressi e uscite per consentire ai fluidi di processo - o mezzi fluenti - di entrare e uscire dallo scambiatore. Un fluido può essere sia liquido che gassoso. Per evitare confusione, useremo il termine mezzo fluente.
Scambiatore di Calore a Piastre (Vista Esplosa)
Guarnizioni e piastre separano i mezzi fluenti per evitare la loro miscelazione; le guarnizioni sono applicate su un solo lato di ciascuna piastra. Le piastre sono sospese su una barra di supporto e vengono compresse insieme tramite bulloni di serraggio. Quando le piastre sono compresse, formano un ‘pacchetto di piastre’. Una barra guida garantisce l'allineamento corretto delle piastre quando il pacchetto viene aperto e chiuso.
Componenti dello Scambiatore di Calore a Piastre
I componenti finali di interesse sono le due coperture alle estremità opposte del pacchetto di piastre. Una copertura è mobile mentre l'altra è fissa. La copertura mobile e la copertura fissa sono talvolta chiamate anche piastra del telaio e piastra di pressione. Si noti che gli ingressi e le uscite sono montati solo sulla copertura fissa.
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Come Funzionano gli Scambiatori di Calore a Piastre
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In tutto l'articolo, assumeremo che un ipotetico scambiatore di calore a piastre abbia due mezzi fluenti, uno freddo e l'altro caldo. Il mezzo caldo deve essere raffreddato dal mezzo freddo, e ciò avverrà nello scambiatore di calore a piastre.
Il mezzo caldo entra nello scambiatore di calore attraverso l'ingresso del mezzo caldo. Le guarnizioni dirigono il mezzo caldo mentre scorre attraverso lo scambiatore di calore. Ogni piastra ha un modello di guarnizione alternato. Il mezzo caldo fluisce nello spazio tra una coppia di piastre, ma non fluisce nello spazio tra la coppia successiva di piastre perché le guarnizioni lo impediscono. Il processo continua in modo che ogni seconda serie di piastre sia riempita con il mezzo fluente caldo.
Guarnizioni delle Piastre dello Scambiatore di Calore a Piastre
Allo stesso tempo, il mezzo freddo entra nello scambiatore di calore attraverso l'ingresso del mezzo freddo, ma questa volta, le guarnizioni sono posizionate per consentire al mezzo freddo di fluire nello spazio dove non è presente il mezzo caldo. Lo scambiatore di calore è ora pieno di entrambi i mezzi fluenti caldi e freddi. Ogni mezzo fluisce fuori dalla sua uscita associata e il processo è continuo.
Si noti che i due mezzi fluenti sono sempre adiacenti l'uno all'altro in tutto lo scambiatore di calore. I mezzi fluenti hanno quindi un modello di flusso caldo, freddo, caldo, freddo, mentre fluiscono attraverso lo scambiatore di calore. Entrambi i mezzi fluenti sono completamente separati l'uno dall'altro dalle guarnizioni e dalle piastre, non si mescolano.
Modello Alternato Freddo/Caldo
A causa della stretta vicinanza dei mezzi fluenti, il calore viene scambiato tra di loro. Il mezzo caldo riscalda la piastra e la piastra trasferisce parte di questo calore al mezzo fluente freddo; quindi la temperatura del mezzo caldo diminuisce mentre la temperatura del mezzo freddo aumenta.
Design dello Scambiatore di Calore a Piastre
Le piastre sono il motivo principale per cui gli scambiatori di calore a piastre sono così efficienti.
Le piastre di uno scambiatore di calore a piastre possono sembrare avere un design semplice, ma ciascuna piastra è piena di interessanti caratteristiche di design ingegneristico. Ad esempio:
- Quando le piastre sono compresse insieme per formare un pacchetto di piastre, lo spazio tra ciascuna delle piastre è molto piccolo, il che assicura un buon contatto termico tra i due mezzi fluenti. Lo spazio tra le piastre è anche noto come ‘spazio libero’.
- Le piastre sono sottili e hanno una grande superficie di contatto, il che conferisce a ciascuna piastra un alto tasso di trasferimento di calore.
- Le piastre sono realizzate con un materiale ad alta conduttività termica, il che aumenta ulteriormente il tasso di trasferimento di calore.
- Le corrugazioni sulle superfici delle piastre impediscono il flusso laminare e promuovono il flusso turbolento, il che aumenta il tasso di trasferimento di calore riducendo anche la probabilità di accumulo di depositi sulle superfici delle piastre.
- Le corrugazioni servono anche a irrigidire la struttura della piastra, il che permette di utilizzare una piastra più sottile rispetto a una piastra senza corrugazioni. Si noti che le corrugazioni delle piastre sono talvolta indicate come aventi un modello a ‘spina di pesce’.
Modello a Spina di Pesce Corrugato
Le piastre non sono l'unica parte di uno scambiatore di calore a piastre con caratteristiche di design estese, anche le guarnizioni hanno caratteristiche di design interessanti:
- Le guarnizioni sono in grado di mantenere una tenuta tra le piastre anche quando la pressione e la temperatura del sistema variano.
- I fori in ciascuna guarnizione - noti come telltales - sono utilizzati per identificare le guarnizioni che perdono. Questa caratteristica consente agli operatori di cambiare la piastra interessata prima che il mezzo che perde attraversi la guarnizione successiva e contamini l'altro mezzo fluente.
Telltale dello Scambiatore di Calore a Piastre
- Poiché le guarnizioni guidano il flusso attraverso lo scambiatore di calore, è essenziale che siano installate nell'ordine corretto. Per questo motivo, le guarnizioni sono spesso dotate di marcature in modo che gli operatori possano controllare che ciascuna piastra sia installata nell'ordine corretto in tutto il pacchetto di piastre. Un altro modo per garantire che l'ordine del pacchetto di piastre sia corretto è spruzzare una linea diagonale su tutto il pacchetto di piastre quando è assemblato.
Pacchetto di Piastre con Linea Diagonale
- Anche se abbiamo mostrato solo due design di guarnizioni finora in questo articolo, ce ne sono tre! Le guarnizioni si alternano in tutto lo scambiatore di calore tranne che per le prime e le ultime piastre all'interno del pacchetto di piastre, che premono contro le coperture fisse e mobili. Le piastre che premono contro le coperture fisse e mobili sono conosciute come piastre di inizio e piastre di fine, a causa della loro posizione all'interno del pacchetto di piastre. Lo scopo delle piastre di inizio e di fine è di impedire il flusso nello spazio tra la copertura fissa e la piastra di inizio, e di impedire il flusso nello spazio tra la copertura mobile e la piastra di fine. In questo modo, le coperture non sono attivamente utilizzate per scambiare calore; questo ha senso poiché le coperture sono piuttosto spesse, non hanno corrugazioni e sono poco adatte a scambiare calore.
Guarnizioni delle Piastre (guarnizione della piastra di fine mostrata a destra)
Variare la Capacità di Raffreddamento
Ci sono diversi modi per variare la capacità di raffreddamento di uno scambiatore di calore a piastre:
- Regolare le valvole di uscita in modo che il flusso sia aumentato o diminuito; questo metodo è utile perché non si smonta lo scambiatore di calore. Non strozzare/regolare le valvole di ingresso poiché ciò potrebbe privare lo scambiatore di calore e causare surriscaldamenti localizzati.
- Aumentare o diminuire il numero di piastre nel pacchetto di piastre. Aumentare il numero di piastre nel pacchetto di piastre comporta un corrispondente aumento della capacità di raffreddamento. Diminuire il numero di piastre nel pacchetto di piastre comporta una corrispondente diminuzione della capacità di raffreddamento. In breve, più piastre equivalgono a maggiore capacità di raffreddamento e meno piastre equivalgono a minore capacità di raffreddamento.
- Utilizzare un design a passaggio singolo o multiplo. Gli scambiatori di calore a passaggio singolo consentono ai due mezzi fluenti di passare l'uno accanto all'altro solo una volta. Gli scambiatori di calore a passaggio multiplo consentono ai mezzi fluenti di passare l'uno accanto all'altro più volte. La maggior parte degli scambiatori di calore a piastre utilizza il design a passaggio singolo.
Design a Passaggio Singolo e Multiplo
Tipi di Flusso
Il flusso attraverso uno scambiatore di calore a piastre può essere parallelo, incrociato o contro. Gli scambiatori di calore a piastre di solito utilizzano il flusso controcorrente poiché questo è il tipo di flusso più efficiente per il trasferimento di calore. Il flusso controcorrente è talvolta noto come flusso contrario.
Flusso Parallelo, Contro e Incrociato
Considerazioni di Design per le Piastre
Poiché gli scambiatori di calore a piastre sono utilizzati per applicazioni di vasta portata, devono essere progettati per resistere alle condizioni di processo in cui operano, il che può includere ambienti corrosivi ed erosivi. È possibile costruire scambiatori di calore a piastre con vari materiali, inclusi metalli, leghe e plastica. Materiali diversi rendono lo scambiatore di calore a piastre più adatto a diverse applicazioni. Ad esempio, se un particolare mezzo fluente reagisce in modo aggressivo quando entra in contatto con determinati metalli, possono essere utilizzati materiali a base di polimeri come il Teflon.
Vantaggi dello Scambiatore di Calore a Piastre
Ci sono numerosi vantaggi associati agli scambiatori di calore a piastre:
- Gli scambiatori di calore a piastre pesano meno, richiedono meno spazio e sono più efficienti rispetto ad altri design di scambiatori di calore della stessa dimensione.
- Sostituire e pulire le piastre è un compito semplice perché il pacchetto di piastre può essere aperto facilmente.
- E a differenza degli scambiatori di calore a fascio tubiero, gli scambiatori di calore a piastre non richiedono spazio aggiuntivo per lo smontaggio.
Svantaggi dello Scambiatore di Calore a Piastre
Ma ci sono anche alcuni svantaggi associati agli scambiatori di calore a piastre:
- Gli scambiatori di calore a piastre tendono ad essere più costosi rispetto ad altri design di scambiatori di calore.
- Se c'è una guarnizione che perde causando la miscelazione di un mezzo fluente con l'altro, la piastra che perde è spesso difficile da individuare.
- La sostituzione delle guarnizioni delle piastre in situ può essere difficile o impossibile. Alcune guarnizioni delle piastre devono essere restituite al produttore per la sostituzione, il che costa sia tempo che denaro.
- Quando le piastre sono compresse insieme per formare un pacchetto di piastre, lo spazio libero tra ciascuna delle piastre è piccolo, il che aumenta la probabilità di incrostazioni con una corrispondente riduzione del trasferimento di calore.
- Quando si riassembla il pacchetto di piastre, serrare eccessivamente i bulloni di serraggio può portare a schiacciare le piastre, il che danneggia le corrugazioni delle piastre e spinge fuori le guarnizioni. Se le guarnizioni vengono spinte fuori, la piastra non sigillerà più correttamente.
- Gli scambiatori di calore a piastre non sono adatti per applicazioni ad alta pressione perché le guarnizioni verrebbero espulse dalla pressione del sistema; questa situazione è chiamata ‘scoppio della guarnizione’. Tuttavia, è possibile aggirare questo problema utilizzando un design senza guarnizioni; questi design di solito utilizzano piastre brasate o saldate. Gli scambiatori di calore a piastre brasate e saldate sono più adatti per applicazioni ad alta temperatura e alta pressione, ma anche per applicazioni in cui la perdita sarebbe pericolosa/catastrofica, ad esempio mezzi fluenti tossici o velenosi.
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Introduzione agli Scambiatori di Calore
Risorse Aggiuntive
https://en.wikipedia.org/wiki/Plate_heat_exchanger
https://www.alfalaval.com/microsites/gphe/tools/how-gphes-work