Scambiatori di calore

Scambiatore a piastre

Lo scambiatore di calore è un’apparecchiatura che serve a trasferire l’energia termica (il calore) tra due fluidi aventi temperature differenti

Esistono tantissimi tipi differenti di scambiatori di calore che variano a seconda della tipologia di fluido tra i quali devono trasmettere e scambiare il calore.
Gli scambiatori di calore sono apparecchiature “passive”, ovvero non generano il calore ma si limitano a trasferirlo.
Esistono scambiatori a miscelazione ed a superficie: nel secondo caso ci sono diversi tipi di scambiatori, classificati in base alla tipologia costruttiva.

Le tipologie degli scambiatori di calore, basandosi sulla tecnologia costruttiva, sono :

  • scambiatori di calore a fascio tubero (shell and tube): uno dei fluidi passa all’interno di tubi di sezione solitamente circolare e l’altro all’esterno dei tubi stessi, in un mantello, completo di appositi deflettori (setti) che ne aumentano la turbolenza (ovvero lo scambio di calore);
  • scambiatori di calore a piastre (plate heat exchangers): i due fuidi lambiscono i lati opposti di una lamiera corrugata o piana con l’inserimento di turbolatori in camere alternate e tra loro isolate da guarnizioni o saldature (ispezionabili o saldati), tipicamente in controcorrente;
  • scambiatori di calore a spirale: i due fluidi passano ai lati opposti di una lamiera liscia in camere avvolte a spirale;
  • scambiatori di calore a blocchi: i fluidi circolano in fori cilindrici (o ovoidali) solitamente disposti ortogonalmente nei due lati (tipica costruzione in grafite);
  • scambiatori di calore a pacco alettato o batterie o radiatori: uno dei fluidi passa all’interno di tubi e l’altro (gassoso) attraverso il pacco alettato all’esterno dei tubi.
Scambiatore a spiraleScambiatore a piastreScambiatori a pacco alettatoScambiatori saldatiScambiatori a piastre e fascio tubiero

Link utili riguardanti gli scambiatori di calore:

Pubblicato in Energia Termica, Glossary, Raffreddamento, Riscaldamento, Scambiatori di calore

191 commenti su a “Scambiatori di calore

  1. massimiliano scarano dice:

    Gentilissimo sig. Walter mi chiamo Massimiliano e le manifesto sinceranente la mia profonda ammirazione per la chiarezza con cui espone concetti a me particolarmente oscuri per cui ne apprifftterei per chiederle come realizzare un efficiente scambio di calore da una lucida canna fumaria di una termostufa che non rilascia calore pur diventando rovente. Grazie

  2. Buongiorno,
    possiedo una stufa in maiolica e all’uscita vorrei installare una serpentina in rame intorno alla canna fumaria in acciaio per poi trasferirla nel bioler del locale caldaia.
    I primi due metri di canna sono ad una temperatura di 200° C, la distanza di trasferimento al boiler è di circa 25 m comunque si possono isolare i tubi. Nel boiler è già previsto l’ingresso della serpentina per i pannelli solari.Volevo sapere se qualcuno aveva qia provato questo sistema e la resa che poteva avere.
    grazie dell’attenzione

  3. Buonasera
    sono un tecnico alle prime armi e mi hanno assegnato un primo problema (anche se solo teorico al momento). Ho un serbatoio di bitume da 50.000 litri e olio diatermico per riscaldare in 5 ore il bitume. Mi hanno chiesto di dimensionare (lunghezza/diametro) la serpentina da realizzare con tubi DN50.
    Sono onestamente in difficolta’. Come posso proseguire?
    Grazie mille.

  4. Grazie Valter….
    mi si dice che non rende poi un gran chè…. ma era per evitare di sostituire il camino con tutto il caos che comporterebbe….
    il problema che non si trovano persone serie che possano fare il lavoro….

  5. Buongiorno Maurizio
    Buon anno visto che dopo un po di vacanza, mi ricollego per qualche commento.
    DIrei che la soluzione più semplice è quella di infilare uno scambiatore di calore a serpentino, direttamente nella canna fumaria o in un suo elemento.

  6. Ho un caminetto a legna e vorrei valutare la possibilità di inserire nella canna fumaria esterna ( sostituendo magari un elemento della stessa), un recuperatore calore dei fumi che invii l’acqua riscaldata ad una caldaia a condensazione ( esterna distante 4 mt). grazie per l’attenzione

  7. Buongiorno signor Biolchi, la ringrazio per l’aiuto, e mi scuso per il disturbo. La risposta che mi ha dato è stata più che esaudiente. So di non averle dato alcuna informazione su dati di progetto della torre, ma avevo bisogno semplicemente di un’indicazione generica.
    La ringrazio ancora. Se dovessi aver bisogno di informazioni più dettagliate, la ricontatterò.
    Distinti saluti

  8. Gentile Andrea,
    Per poter dimensionare una torre evaporativa, sarebbe utile conoscere qualche dato in più, tipo schema termico e zona di installazione.
    Inoltre ricopre importanza conoscere se ci sono specifiche costruttive da rispettare (torre evaporativa con ventilatori assiali o centrifughi).
    Diversamente giusto per una valutazione indicativa considera che una torre assiale per dissipare 1000 kw circa, ha bisogno di ventilatori con circa 7,5 – 11 Kw di potenza elettrica installata (dipende dal numero di celle che si vogliono installare, una solamente o due separate da 500 Kw cad.)

  9. Buongiorno, avrei bisogno di un’indicazione sulle torri evaporative: per smaltire 1 MW termico, che potenza elettrica è tipicamente richiesta?

  10. Buongiorno Gianni,
    la duty termica richiesta è piuttosto impegnativa.
    Il dtm (delta ti medio logaritmico), con la miscela incongelabile (acqua/glicole) in ingresso a -3°C ed in uscita a +2°C, risulta di 12,5°C, con un avvicinamento spinto della temperatura dell’aria in uscita a quella del fluido di raffreddamento appunto.
    Questo implica una elevata superficie di scambio.
    Non riporti la pressione dell’aria, che ho ipotizzato a pressione poco più che ambiente, e dimensionando uno scambiatore a piastre, mi vengono delle superfici di scambio notevoli.
    Uno schema termico di questo tipo su scambiatori a fascio tubiero, implica sicuramente una notevole lunghezza dei tubi, oppure la soluzione di mettere due scambiatori più corti in parallelo.
    Mi comunichi la pressione dell’aria che provo a fare un dimensionamento.

  11. Buongiorno,
    le scrivo poiché sto dimensionando uno scambiatore a fascio tubiero acqua aria, e usando il metodo di Kern ho dei risultati che non mi convincono.
    premesso ch:
    l´aria entra a 35 °C ed esce a 0
    i tubi scelti sarebbero da 12 mm di diametro esterno e 10 interno
    il diametro interno del mantello sarebbe 50 cm
    la portata d´ aria da raffreddare é circa 1 kg al secondo
    ottengo una lunghezza dei tubi di circa 5 metri per una potenza scambiata di circa 41000 W con acqua in ingresso a -3 gradi…

  12. Buongiorno Michele,
    Immagino che il problema sia dimensionare il serpentino allo scopo di scambiare una determinata quantità di calore.
    Il coefficiente che le serve è quella relativa alla trasmissione globale di calore (o coefficiente di scambio termico).
    Questi valori sono solitamente indicati sui manuali per i vari casi:
    acqua/acqua
    vapore/acqua
    ecc…
    Mi contatti se le serve qualche indicazione.

  13. salve sono uno studente di ingegneria meccanica dovrei dimensionare un boiler con una serpentina in rame all interno dove circola il fluido freddocome faccio a calcolare i coefficienti convettivi interni ed esterni?

  14. salve,sono il titolare della società senzagas,rispondo in merito della spirale da inserire nella canna fumaria della stufa a pellets,dove si rispondeva che non esiste nulla in commercio.
    la stupisco con il mio brevetto…………..visiti il sito http://www.senzagas.it e vedrà che da oggi è possibile.grazie a presto

  15. Gentilissimo Valter,la disturbo nuovamente.
    potrebbe inviarmi un’altra progetto di scambiatore con gli stess dati però del tipo a fascio tubiero?
    grazie..purtroppo il mio prof non accetta quello a piastre

  16. grazie grazie e ancora grazie….finalmente ho capito e completato l’ottimizzazione grazie a lei e alla tempco

  17. provi a darmi i termini del suo problema…immagino che abbiano dato un salto termico ed una portata…che definiscono quindi una potenzialità.
    se cambia la portata varia il salto termico, ma la potenzialità rimane invariata.

  18. dunque diciamo che la duty è un dato di progetto, quindi fisso.
    Ad esempio un motore deve smaltire una certa quantità di calore, questo è un dato fisso che prescinde dalla portata o dal salto termico, un processo farmaceutico in un reattore, genera una certa quantità di calore che va smaltita per mantenere la temperatura del processo stesso, questo è un dato fisso legato intrinsecamente al processo. Possiamo poi decidere di dissiparne il calore generato, in base alla tipologia di scambiatore, usando tanta acqua con un piccolo salto termico, oppure usandone poca con un salto termico elevato, il bilancio energetico non cambia.
    E’ evidente che ci sono dei limiti, legati alle sezioni di passaggio, alla tipologia di scambiatore, ai fluidi, alle temperature…

  19. ah..mi scusi…quindi se aumento la portata diminuisce il salto termico? ma il mio problema mi dava questi dati di temperatura!

  20. ma la potenza termica, la duty,non è ugulae al prodotto di:
    portata*Calore specifico*differenza di temperatura?….se aumento la portata..dovrebbe aumentare anche la duty oltre che la turbolenza

    uff non ci capisco più niente

  21. Buongiorno Mariella,
    aumentare la portata dei fluidi con una pompa, aiuta in quanto incrementa la turbolenza all’interno dello scambiatore, aumentando di conseguenza il coefficiente di scambio.
    Consideri che la “duty” rimarrà invariata, ovvero la potenzialità termica che deve “trasportare” lo scambiatore, rimane sempre la stessa, quindi ad un aumento della portata corrisponde una variazione del salto termico, che diminuirà per mantenere costante il bilancio energetico.
    Spero di essermi spiegato.
    buona giornata

  22. mi scusi gentilissimo Valter, ho ancora una domanda da porle: se uno scambiatore mi viene con una superficie di scambio eccessiva, per migliorare un pò il risultato posso aumentare la portata dei due fluidi, con una pompa…ma perchè analiticamente mi viene ancora più grande????? è possibile?
    se aumento la portata di un fluido aumenta anche la potenza termica dello scambiatore! quindi quando vado a calcolare la superficie mediante il rapporto tra la potenza temica e il coeff per la differenza media logaritmica, è verò che cresce il coefficiente, ma cresce anche la portata!!!!!!mi aiuti ancora una volta la siupplico!!

  23. Il coefficiente globale di scambio termico è intrinseco nel tipo di scambiatore e nei fluidi che deve “trattare”.
    E’ un valore di progetto, dal quale poi dipende la superficie di scambio.
    Acqua/acqua in un fascio tubiero…900/1000
    acqua/acqua in un piastre…4000/4500

  24. mi scusi ma come faccio a calcolarmi il coefficiente globale di scambio termico? mi occorerebbe sapere la superficie delle piastre?!

  25. la ringrazio, è stato chiarissimo e mi ha dato utili dritte…non vorrei approfittare della sua disponibilità ma approfitto e le lascio gli unici dati che ho a disposizione:
    temp. ing acqua 20°C
    tem. usc acqua 80°C
    tem ing toluene 111°C(temp ebollizione)
    tem uscita toluene 25°C

    la portata di toluene in ing è 12000Kg/h le pressioni sono atmosferiche. Per evitare lo scambiatore chilometrico dunque si inserisce in serie una pompa. Come giustamente ha ipotizzato i fluidi sono puliti
    ancora grazie…infinitamente grazie

    grazie

  26. Gentilissima Mariella,
    per lo scambio termico toluene/acqua, si può utilizzare tranquillamente uno scambiatore di calore a piastre di tipo saldobrasato (in quanto i fluidi immagino siano puliti ed in circuito chiuso), per darle qualche consiglio in più, dovrei conoscere i livelli di temperatura e le portate in gioco.
    Per la pompa, può utilizzare una pompa centrifuga, dipende poi da temperature/pressioni/portate definire il modello. Sulle nostre centraline di raffreddamento criogenico, quando utilizziamo il metanolo o il toluene per il raffreddamento di reattori nei bulk farmaceutici, usiamo pompe centrifughe a trascinamento magnetico, ma parliamo di temperature fino a -100°C.
    Attendo un suo riscontro per poterle dare supporto.

  27. Salve sono una studentessa di ingegneria. devo ahimè dimensionare uno scambiatore di calore acqua/toluene ottimizzando i costi necessari per l’impianto.al fine di non ottenere uno scambiatore chilometrico posso inserirvi in serie una pompa..innanzitutto non ho idea di che tipo di pompa utilizzare, poi avendo a disposizione le temperature in ing e uscita dei due fluidi e noto che sono a pressione atmosferica devo valutare la miglior soluzione costi d’acquisto-costi d’esercizio….la prego mi aiuti!!!!!!!!!!

  28. Buonasera “Ilaria”, nessun disturbo…vedo di risponderle in modo organico e spero chiaro.

    1)L’aria all’interno del tunnel di essiccazione della macchina da stampa viene scaldata a 60-70°C, ma non ho ben chiaro se c’è un flusso continuo di aria nel tunnel oppure se, una volta riscaldata, è l’aria calda a lambire lo scambiatore oppure, infine, se l’aria viene parzialmente ricambiata.

    solitamente l’aria viene ricircolata all’interno della macchina, in quanto non serve un ricambio di aria, anzi se si dovesse addurre sempre aria “nuova”, avrebbe un consumo di energia elevato.
    Una piccola parte di aria viene “persa” per l’espulsione dei solventi o persa nelle tenute, e viene reintegrata.

    2)Nel caso in cui l’aria calda fosse del tutto o parzialmente recuperata, il dimensionamento dello scambiatore come dovrebbe essere fatto? O meglio, il Q della formula Q =U ·A ·ΔTm, è diverso al tempo zero (quando l’aria è prelevata dall’esterno e deve essere riscaldata) e a regime (quando l’aria è calda ed è recuperata)…quindi l’area calcolata sarebbe diversa nei due casi: quale dei due valori di A deve essere preso in considerazione? (e per avere un termine di paragone, nell’applicazione presa in esame, all’incirca quanto dovrebbe risultare A?)

    Ovviamente la prima risposta, spiega parzialmente la seconda, solitamente quando si dimensionano questi scambiatori, si chiede al costruttore un tempo di messa a regime della macchina accettabile per il ciclo di lavoro, quindi si calcola la capacità termica e la si confronta con la potenzialità di mantenimento (che solitamente è più bassa). Lo scambiatore verrà dimensionato sulla potenzialità di riscaldamento iniziale, considerando che andrà a lavorare in ricircolo a potenza più bassa. Per questo motivo su queste batterie vengono montate valvole modulanti sull’olio diatermico (o comunque sul fluido caldo), pilotate da un regolatore di temperatura, che modula a regime la portata del fluido stesso.

    3) Infine, nel caso olio/aria quale può essere un valore plausibile del coefficiente di scambio termico globale U?
    La ringrazio per la Sua disponibilità e mi scuso per le domande, ma non saprei davvero a chi rivolgermi se non a Lei.
    Grazie.

    dipende dalla tipologia di batteria, passo alette, geometria tubi ecc…potrebbe variare da 10 a 20 Kcal/h mq °C, ma li prenda con beneficio di inventario, vedo di fare un paio di verifiche domani in ufficio…

  29. Gent.mo Fabio,
    per determinare quale sia il tipo migliore di scambiatore da applicare, non esiste un metodo, ma bisogna fare una serie di valutazioni, legate alle temperature/pressioni di progetto sui due lati. Già questo permette di discriminare nella “selva” di tipologie di scambiatori, facendo una prima scrematura.
    Quindi bisogna capire se il fluido che si deve riscaldare (nel suo caso aria), è sostanzialmente pulito o sporco se di cosa sporco eventualmente.
    In base a questo si definisce l’esatta tipologia di scambiatore.
    Mi spiego, se con la sua acqua di caldaia deve scaldare dell’aria per un ambiente, le condizioni di progetto saranno “standard”; potrà quindi scegliere uno scambiatore alettato rame/alluminio (tubi/alette), da qui, se l’aria trattata è sostanzialmente pulita, può selezionare un passo alette piuttosto stretto in modo da incrementare i coefficienti di scambio.
    Per determinare il salto termico dell’acqua, consideri che è solitamente un fattore costruttivo intrinseco alla macchina termica…solitamente le caldaie lavorano con un salto termico di 15-20°C, se fosse un chiller solitamente tale salto si riduce a 5°C.

  30. Sono la “Ilaria” che Le ha scritto il 9 Giugno. Ho alcuni dubbi riguardanti gli scambiatori alettati ad aria. Mi scuso anticipatamente con Lei se le domande che Le farò sono banali ma mi chiedevo:
    1)L’aria all’interno del tunnel di essiccazione della macchina da stampa viene scaldata a 60-70°C, ma non ho ben chiaro se c’è un flusso continuo di aria nel tunnel oppure se, una volta riscaldata, è l’aria calda a lambire lo scambiatore oppure, infine, se l’aria viene parzialmente ricambiata.
    2)Nel caso in cui l’aria calda fosse del tutto o parzialmente recuperata, il dimensionamento dello scambiatore come dovrebbe essere fatto? O meglio, il Q della formula Q =U ·A ·ΔTm, è diverso al tempo zero (quando l’aria è prelevata dall’esterno e deve essere riscaldata) e a regime (quando l’aria è calda ed è recuperata)…quindi l’area calcolata sarebbe diversa nei due casi: quale dei due valori di A deve essere preso in considerazione? (e per avere un termine di paragone, nell’applicazione presa in esame, all’incirca quanto dovrebbe risultare A?)
    3) Infine, nel caso olio/aria quale può essere un valore plausibile del coefficiente di scambio termico globale U?
    La ringrazio per la Sua disponibilità e mi scuso per le domande, ma non saprei davvero a chi rivolgermi se non a Lei.
    Grazie.

  31. SALve, sono uno studente di Ingegneria alle prese con uno scambiatore di calore. In particolare devo scaldare aria con acqua proveniente da caldaia. Applicando le formule “classiche” ho ottenuto una potenza termica da scambiare di circa 190 kW e una superficie di scambio di 149 metri quadrati. Esiste un modo per determinare quale sia il modo migliore per scegliere il tipo di scambiatore e la portata di acqua necessaria?
    Grazie
    Fabio

  32. Gentile Ilaria,
    Abbiamo fatto alcune applicazioni su impianti flessografici e di stampa, sia per il processo di stampa che sulla parte relativa al recupero dei solventi.
    Ci sono diversi punti che sono interessati da scambio termico e termoregolazione. Nello specifico sugli impianti che abbiamo seguito, il riscaldamento all’interno dei tunnel di essicazione, veniva effettuato tramite scambiatori alettati ad aria (batterie), alimentate ad olio diatermico oppure a vapore (a seconda del fluido di servizio che aveva il cliente).

  33. Sono una studentessa di Ingegneria e sto facendo un progetto sul processo di stampa flessografica. In tale processo, dopo la fase di stampa, la carta inchiostrata viene fatta passare all’interno di un essiccatore(60-70°C)per far evaporare l’inchiostro…mi chiedevo se Lei potesse avere idea del tipo di scambiatore di calore impiegato in questo processo: so dirLe che il calore è generato attraverso la combustione del metano ma non so come il calore sia trasferito dalla camera di combustione al tunnel di essiccazione.
    Mi sarebbe di enorme aiuto.
    Cordiali saluti.
    Ilaria

  34. Per fare una valutazione bisognerebbe avere qualche dato relativo alla portata dei fumi e dell’acqua.
    Quindi conoscendo (o calcolando) la superficie di scambio della spirale, applicando il coefficiente di scambio adatto, calcolarne in modo approssimativo il rendimento termico.

    Come valore di k, può considerare conservativamente 10-20 Kcal/mq h °C, se non forse più basso…è un dato empirico, in quanto si tratterebbe di una realizzazione “retrofit” artigianale, difficilmente valutabile.

  35. Buongiorno.
    La spirale che intendo applicare deve avere un diametro interno di 10 cm, fatta con un tubo dal diametro esterno da 18mm (come il tubo delle caldaia), l’ingresso e l’uscita della spirale preferibilmente appaiati con applicato flangia maschio e femmina da 3/8, sviluppare un’altezza di circa 1,5 mt.
    Io abito a Lacchiarella(MI).
    Chiedo un parere: considerando una temperatura media dei fumi di 120°, considerando una temperatura di ingresso dell’acqua di 45°, visto il tipo di scambiatore che le ho prefigurato, in modo approssimativo, di quanto può essere l’incremento della temperatura dell’acqua, ovvero la temperatura di uscita dallo scambiatore?
    Molto gentile.
    Mille grazie Lorenzo

  36. Gentile Lorenzo,
    non credo esistano da commercio spirali per realizzare quanto vorrebbe.
    Dovrebbe far realizzare con del tubo alettato (quello che si utilizza per gli aerotermi industriali), uno scambiatore o una “spirale” da inserire nel camino per recuperare il calore.
    Conviene a mio avviso realizzarla in acciaio al carbonio, in ogni caso il recupero non credo che sarà così spinto da condensare il residuo nei fumi (potrebbe generare condense acide innescando fenomeni di corrosione).

  37. Ho una stufa a pellet collegata all’impianto ai termosifoni. Considerato che la temperatura si uscita dei funa varia dai 110° ai 200°, per aumentarne la resa volevo inserire nella canna fumaria(debitamente aumentata per non ostacolare l’uscita fumi) una spirale dove far circolare l’acqua di ritorna. Non riesco a trovare la spirale a me necessaria! Sapete dirmi a chi posso rivolgermi?
    Grazie

  38. In effetti la differenza di pressione dei due circuiti crea problemi al fatto che lavorino in parallelo.

    Si potrebbe pensare di utilizzare uno scambiatore di calore su uno dei due circuiti, ma bisogna analizzare bene utenze, temperature e potenzialità termiche, per capire se non si rischia di perdere energia, anzichè recuperarne.

  39. Ho un camino a vaso aperto che riscalda l’aqua per riscaldamento.
    Ho installato un una caldaia a gas.
    possono i due impianti funzionare contemporaneamente?
    L’idraulico sostiene di no, poichè hanno pressioni diverse.

    Gradirei sapere il vostro parere.

    Grazie

  40. Immagino che chi le ha consigliato di “chiudere” il circuito intendesse anche farle alzare la temperatura dell’acqua, ovvero prevedesse la chiusura del circuito allo scopo di aumentare la temperatura dell’acqua calda prodotta, per aumentare le condizioni di rendimento.
    In effetti come ho ultimamente scritto, sicuramente aumenta lo scambio termico, ma tenga presente che se la potenzialità prodotta dal camino è 29.900 Kcal/h, non riesce ad ottenere di più.
    Per poter chiudere il circuito, deve assicurarsi che i componenti siano adatti allo scopo, consideri che l’impianto cambia radicalmente, in quanto dovrebbe quanto meno inserire una valvola di sicurezza di sovrapressione, altrimenti in caso di sovratemperatura tutto il circuito va in pressioni con pericolo di “rotture”.

  41. marcello cicirelli dice:

    ho un termocamino idro, ma secondo me pur essendo 29.900 kc la quantità d’acqua calda che produce non è sufficiente per il numero di termosifoni esistenti.Il termocamino funziona a circuito aperto.Qualcuno mi ha consigliato di modificare l’impianto, insesrendo uno scabiatore di calore a piastre facendolo diventare a circuito chiuso per avere una maggiore resa.cosa mi consigliate? grazie

  42. Sicuramente è possibile, esistono già termocamini con recupero del calore, per i quali forniamo solitamente scambiatori a piastre per la produzione di acqua sanitaria o per riscaldamento.

  43. sono in possesso di un termocamino ad aria forzata e desideravo, per ottimizzare le risorse energetiche produrre anche dell’acqua sanitaria, con luso di uno scambiatore alettato ingrado di percepire il calore è trasferirlo sul liquido; desideravo sapere in base alla vostra esperienza, se tutto cio’ è possibile.
    grazie e distinti saluti.

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