Scambiatore di calore

Componente fondamentale di un sistema termotecnico, lo scambiatore di calore lo ritroviamo praticamente in diverse configurazioni a servizio di molteplici applicazioni. In estrema sintesi lo scambiatore di calore è il dispositivo in cui avviene lo scambio termico tra due fluidi, che possono essere allo stato liquido o aeriforme e che si trovano a temperature differenti. Secondo i principi della termodinamica il passaggio di calore avviene dal fluido che si trova a temperatura più elevata verso quello che si trova a temperatura più bassa. Il primo dunque si raffredda e il secondo si riscalda.

Scambiatore di calore nelle caldaie domestiche

Come esempio consideriamo lo scambiatore di calore che si trova in una caldaia domestica murale o a pavimento per riscaldamento e per produzione di acqua calda sanitaria. In questo caso il fluido a più elevata temperatura è il gas che brucia all’interno della camera di combustione. I gas di scarico prodotti vengono evacuati verso l’esterno, ma prima di uscire lambiscono le pareti dello scambiatore di calore, che generalmente è ha corpo di acciaio, alluminio o rame. Dall’altra parte delle pareti dello scambiatore di calore si trova l’acqua da riscaldare. Si tratta di due circuiti diversi e separati: uno per l’impianto di riscaldamento, l’altro per la produzione di acqua calda sanitaria.

I gas di scarico della combustione ad alta temperatura (la temperatura di fiamma del metano per esempio può sfiorare i 2000 °C) si raffreddano drasticamente cedendo calore all’acqua che circola nella parte esterna dello scambiatore. Nelle caldaie a condensazione il raffreddamento è tale da recuperare anche il calore contenuto nel vapore acqueo presente nei gas di scarico e prodotto durante la combustione del gas. Il processo di raffreddamento è così intenso da provocare appunto la condensazione del vapore, condensa che deve essere poi evacuata nello scarico domestico. La portata dell’acqua che circonda lo scambiatore deve essere ben progettata in modo che la temperatura non superi il valore prefissato, ad esempio per l’acqua calda sanitaria tale valore può essere 48°C. Quindi, l’acqua arriva (dall’acquedotto) a 13-14°C, per esempio, e viene portata a 48°C, mentre i gas di scarico defluiscono a meno di 100°C (a temperature basse necessitano di un “turbo” per essere spinti fuori, non potendo generare l’effetto camino).

L’acqua per riscaldamento invece è sempre la medesima che circola nel circuito. Anch’essa viene riscaldata dai gas di scarico della caldaia e la temperatura che deve raggiungere può variare in funzione del tipo di impianto di riscaldamento. Ad esempio, dai 30°C di un sistema a panelli a pavimento a bassa temperatura, agli 80°C di un impianto a radiatori vecchia maniera.
Anche il pavimento e i radiatori sono a tutti gli effetti degli scambiatori di calore: il loro compito è quello di riscaldare l’aria e le persone degli ambienti in cui si trovano, con processi definiti di convezione o di irraggiamento. Conseguentemente a questi processi l’acqua si raffredda perché cede calore al corpo scaldante e ritorna alla caldaia nello scambiatore di calore a 10-15°C in meno, dove ricevere ulteriore calore per ripristinare la temperatura di progetto impostata. Tale processo circolare prosegue per il tempo desiderato o fino a raggiungere la temperatura impostata.

Per favorire il massimo scambio termico, le superfici dello scambiatore di calore con cui viene a contatto l’acqua devono essere il più possibile pulite, in quanto il calcare o gli altri residui ostacolano e rallentano lo scambio termico. Per questo motivo l’acqua che circola nell’impianto di riscaldamento deve essere opportunamente trattata e periodicamente l’impianto deve essere ripulito dalle incrostazioni. L’acqua sanitaria è invece sostanzialmente acqua potabile e dunque il trattamento deve essere tale da non modificare negativamente le caratteristiche organolettiche dell’acqua. Ad esempio se è molto dura, può essere addolcita con appositi addolcitori posti al punto d’uso, o in centrale termica nel caso di un condominio.

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