Per procedere alla scelta dello scambiatore più adatto al problema termico da risolvere, occorre conoscere parametri quali le proprietà dei fluidi coinvolti, il loro calore specifico, il carico termico con cui si lavora, la portata massima dei fluidi, le loro temperature di ingresso e uscita (ovvero il delta termico tra di esse), pressione, temperature e perdite di carico massime ammesse nel processo.
Per quanto riguarda il dimensionamento dello scambiatore, è fondamentale considerare il coefficiente globale di scambio termico, che varia a seconda del tipo di fluidi coinvolti, del tipo di scambiatore scelto, della velocità dei fluidi e del regime di turbolenza o linearità del moto dei fluidi al suo interno. I fattori di sporcamento, le esigenze di manutenzione e la futura possibilità di procedere a un ampliamento completano i fattori da considerare nella scelta dello scambiatore.
Esistono limiti d’uso per uno scambiatore di calore relativamente agli intervalli di temperature e pressioni dei fluidi con cui la macchina termica dovrà lavorare, e che vanno tenuti in opportuna considerazione nella scelta della tipologia di scambiatore.
SCAMBIATORI A PIASTRE ISPEZIONABILI
SCAMBIATORI SALDOBRASATI
Scambiatori saldati shell and plate possono essere l’alternativa per condizioni applicative più elevate, e uniscono i pregi del tipo a fascio tubiero e di quelli a piastre: alti differenziali di pressione e temperatura, basse perdite di carico, dimensioni e pesi ridotti, totalmente saldati ma di facile pulizia e manutenzione. In questo caso, come per gli scambiatori a fascio tubiero, i limiti di pressione e temperatura aumentano di molto rispetto al range tipico degli scambiatori a piastre. Questo fattore li rende particolarmente adatti alle applicazioni di processo nei settori petrolchimico e chimico pesante.
Scambiatori a piastre saldobrasate possono essere la soluzione ottimale in caso di pressioni elevate di lavoro (40-45 bar e full vacuum) e range di temperatura molto ampio (-200° C e +300° C). La saldatura delle piastre tra loro conferisce infatti un’ottima resistenza meccanica a questo genere di scambiatori a piastre (in un normale scambiatore, la resistenza meccanica è ottenuta collocando le piastre adiacenti con corrugazioni in direzioni opposte, in modo da creare numerosi punti di incrocio e di contatto).
Un fattore che incide fortemente sul coefficiente globale di scambio termico all’interno di uno scambiatore di calore è sicuramente la velocità a cui viaggiano i fluidi che lo attraversano. In genere, struttura, geometria e dimensioni dello scambiatore e suo posizionamento vanno disegnati e ingegnerizzati in maniera tale da imprimere un moto di tipo turbolento ai fluidi, per aumentare lo scambio termico che in presenza di moto laminare non avviene nella maniera opportuna.
Bisogna però evitare velocità troppo elevate, che possono comportare un incremento incontrollato delle perdite di carico e favorire fenomeni di erosione nel caso di fluidi sporchi o con particelle in sospensione.
Nel caso di fluidi che cambiano di fase, come accade negli scambiatori impiegati in qualità di condensatori o evaporatori, occorre procedere a una valutazione attenta della velocità dei fluidi in gioco, onde evitare il trascinamento di gocce che può pregiudicare il funzionamento dell’apparecchio (ad esempio quando è essenziale condensare o evaporare completamente il fluido, come nell’applicazione di scambiatori utilizzati in funzione di ‘vent trap’ sugli sfiati dei reattori).
Negli scambiatori a piastre, un espediente per aumentare la turbolenza nel moto dei fluidi è la corrugazione della superficie delle piastre, che comporta un incremento nei coefficienti di scambio. Inoltre, le piastre di più moderna concezione presentano geometrie studiate per portare a una distribuzione del fluido uniforme sulla superficie della piastra, lavorando sugli angoli di chevron (angoli nei canali delle piastre) e sul ‘chocolate pattern’, la zona di distribuzione del fluido in ingresso e in uscita, che presenta sezioni di passaggio dei fluidi con canali più corti a sezione più piccola, e con canali più lunghi a sezione più grande.
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