Tipologie di scambiatori di calore

Gli scambiatori di calore sono sistemi aperti che vengono utilizzati per scambiare calore fra due fluidi a diversa temperatura. Lo scambio termico tra i due fluidi avviene solitamente attraverso una parete metallica che separa gli stessi.

Gli scambiatori possono essere: -scambiatori continui: in equicorrente  e controcorrente e scambiatori discontinui.

Scambiatore tubo in tubo o scambiatori continuti:

-sono costituii da 2 tubi concentrici in cui passano due liquidi a temperature diverse.

-La loro superficie è costituita rispettivamente per il tubo più interno da una parete di  metallo termoconvettore mentre per quello più esterno da un materiale termoisolante.

-Questo tipo di meccanismo è molto usato nell'industria alimentare in quanto il tubo interno si mantiene intatto dalle incrostazioni ottenendo così un ottimo livello di igiene.

-L'assenza delle stesse è dovuta al fatto che il tubo è molto accessibile e facilmente lavabile, in quanto costituito da acciaio INOX.

-I due fluidi usati in questo procedimento vengono classificati in: fluido di servizioil quale apporta calore dal tubo più esterno e che di solito è costituito da acqua;

 fluido servito che subisce l’apporto di calore.

Gli scambiatori tubo in tubo si suddividono ulteriormente in scambiatori: in equicorrentee controcorrente.

             In entrambe le tipologie di scambiatori il fluido entra nella sezione1 ed esce dalla sezione2.

-nel  primo caso equicorrente il liquidocaldo e freddo circolano nella stessa direzione; quando i due fluidi hanno stesso verso di scorrimento.

- Mi fornisce un riscaldamento minore, rispetto al secondo qui sotto citato, ma più veloce e quindi è privilegiato in processi che richiedono rapidità quali la pastorizzazione del latte. Questo però offre a parità di superficie di scambio una potenza minore rispetto al controcorrente.

- la differenza di temperatura D T(x) all’inizio del contatto ovvero D T(0) è molto elevata quindi il riscaldamento del liquido interno risulta più veloce, ciò però va a discapito di un rendimento elevato. Entrano infatti in gioco elevate variazioni di entropia e quindi notevole lavoro disperso.

-nel secondo caso come dice la parola controcorrentei fluidi circolano in direzioni opposte.

- La differenza di temperatura è ovunque costante e non elevata ovvero l’entropia del sistema, varia poco.

Per questo il rendimento di questo tipo di meccanismo è più elevato, ma meno rapido

Scambiatori a piastre

Sono costituiti da piastre corrugate e assemblate in maniera stagna a formare un pacco compatto all’interno delle  quali scorrono il prodotto alimentare e il fluido di servizio.

Vi sono diverse modalità di assemblaggio:

-in parallelo

-in serie

-a pettine

Fattori da considerare.

-profilo delle piastre e schema di ondulazione (moti turbolenti; azione di rinforzo strutturale e aumento della superficie.

-guarnizioni: devono resistere alle alte Temperature  e agli agenti chimici del prodotto e dei detergenti

-efficienza dello scambiatore termico

I passaggi tra le piastre possono essere alimentati in parallelo o in modo misto serie-parallelo; in equicorrente o in controcorrente.

Assemblaggio in parallelo:

-tutte le piastre hanno quattro fori e i fluidi si interfacciano sempre in modalità controcorrente

-il fluido si distribuisce su tutti i comparti; pertanto a parità di portata la velocità dei flussi è bassa

-per questo motivo anche il coefficiente globale di scambio è più basso.

Assemblaggio in serie:

-le piastre hanno tre fori e fluidi compiono un percorso a zig-zag

-i fluidi si interfacciano a questo modo un po’ in un senso, un po’ in un altro ovvero metà in equicorrente, metà in controcorrente

-a parità di portata la velocità dei flussi è più elevata così come il coefficiente di scambio

-questo sistema comporta elevate perdite di carico e pertanto occorre alimentare lo scambiatore con fluidi a pressione più elevata

 Assemblaggio a pettine

-Nasce come un compromesso tra i due schemi precedenti di assemblaggio

-si hanno più sezioni in serie ciascuna delle quali costituite da più piastre in parallelo

-questo sistema permette di operare con più di due fluidi

Scambiatori tubolari

-aserpentino in cui il prodotto circola in un serpentino immerso in un fluido di servizio o viceversa

-a doppio e triplo tubo in cui il prodotto circola internamente oppure tra i due fluidi di servizio

- a fascio tubiero numero di tubi rettilinei e paralleli contenuti in un contenitore cilindrico

Scambiatori a spirale:-sono costituiti da due strisce metalliche avvolti e saldati in maniera tale da costituire due percorsi indipendenti

-consentono di ottenere un notevole superficie di scambio in ingombri ridotti

Scambiatori a superficie raschiata

L’agitatore a lamine permette di rinnovare continuamente il fluido a contatto con la parete:

-favorendo il coefficiente di scambio termico

-minimizzando le incrostazioni

-mantenendo omogenea la temperatura

NB:in alcuni casi si può avere:

-rotatore cavo all’interno nel quale circola il fluido di servizio

-rotatore montato in modo asimmetrico per favorire il rimescolamento del prodotto

-lame a forma di spirale per prodotti particolarmente viscosi

Hanno un larga diffusione con impianti continui di cottura raffreddamento e pastorizzazione consentendo di trattare i materiali più diversi come impasti di farine,concentrati di latte,succhi vegetali e puree…

Soluzione indicata per i fluidi ad elevata viscosità; eventualmente con parti in sospensione

Scambiatori di tipo diretto

Passiamo ora ad analizzare gli scambiatori di tipo diretto basati sull’iniezione diretta di vapore acqueo in condizioni di Pressione e Temperatura in modo da provocarne l’immediata condensazione.

Si sfrutta per tanto il calore latente rilasciato dal vapore durante il passaggio di stato.

È utilizzato per la fase di riscaldamento ultrarapido nelle operazioni di pastorizzazione e e sterilizzazione di prodotti liquidi come la scottatura di prodotti vegetali.

Il trasporto di calore è immediato e omogeneo e occorre risolvere il bilancio di massa per quel che riguarda l’acqua che viene apportata.

Scambiatori ad infusione

Sistema analogo a quello per iniezione diretta di vapore con la differenza che il prodotto fluisce verso il basso in film sottile.

Questo fatto riduce gli stress meccanici per turbolenza ed attriti creati da vapore quando iniettati direttamente in un condott

Raffreddamento per evaporazione flash

Il prodotto viene inviato in una camera all’interno della quale la pressione è sufficientementebassa per provocare l’evaporazione del solvente.

La conseguente sottrazione del calore latente porta ad un brusco raffreddamento del prodotto.

Anche in questo caso è necessario introdurre un bilancio di massa/energia.

Ovviamente questa operazione porta ad una concentrazione del prodotto.

Spero di esserti stato di aiuto.

A presto!