Scambiatori di calore HVAC spiegati. In questo articolo parleremo dei diversi tipi di scambiatori di calore usati nelle applicazioni HVAC e nei servizi di costruzione sia per le proprietà residenziali che per quelle commerciali. Vedremo anche come questi vengono applicati ai componenti del sistema per condizionare l’ambiente costruito coprendo il principio di funzionamento dei comuni scambiatori di calore HVAC con animazioni.
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Cos’è uno scambiatore di calore?
Uno scambiatore di calore è esattamente ciò che il nome implica, un dispositivo utilizzato per trasferire (scambiare) calore o energia termica. Gli scambiatori di calore ricevono un fluido caldo per riscaldare o un fluido freddo per raffreddare.
- Un fluido può essere sia un liquido che un gas
- Il calore scorre sempre dal caldo al freddo
- Per far fluire il calore ci deve essere una differenza di temperatura
Come viene scambiato il calore?
L’energia termica viene trasferita attraverso tre metodi.
- Conduzione
- Convezione
- Radiazione
La maggior parte degli scambiatori di calore per scopi HVAC usa la convezione e la conduzione. Il trasferimento di calore per irraggiamento si verifica, ma costituisce solo una piccola percentuale.
Trasferimento di calore per conduzione
La conduzione si verifica quando due materiali di temperature diverse si toccano fisicamente. Per esempio, se mettiamo una tazza di caffè caldo su un tavolo per qualche minuto e poi rimuoviamo la tazza, il tavolo avrà condotto parte di questa energia termica.
Trasferimento di calore per convezione
La convezione avviene quando i fluidi si muovono e portano via l’energia termica. Questo può avvenire naturalmente o con una forza meccanica come l’uso di un ventilatore. Un esempio di questo è quando si soffia su un cucchiaio di zuppa calda. Si soffia sul cucchiaio per raffreddare la zuppa e l’aria porta via questo calore.
Trasferimento di calore per radiazione
La radiazione avviene quando una superficie emette onde elettromagnetiche. Tutto, compreso te, emette una certa radiazione termica. Più una superficie è calda, più radiazione termica emette. Un esempio di questo sarebbe il sole. Il calore del sole viaggia come onde elettromagnetiche attraverso lo spazio e ci raggiunge senza nulla in mezzo.
Fluidi usati
I fluidi usati nel sistema HVAC includono tipicamente acqua, vapore, aria, refrigerante o olio come mezzi di trasferimento. Gli scambiatori di calore HVAC di solito fanno una delle due cose: riscaldano o raffreddano l’aria o l’acqua. Alcuni sono usati per raffreddare o riscaldare le attrezzature per motivi di prestazioni, ma la maggior parte sono usati per condizionare l’aria o l’acqua.
Tipi di scambiatori di calore.
La maggior parte degli scambiatori di calore segue uno dei due design. Il design a serpentina o a piastre. Diamo un’occhiata alle basi di come funzionano entrambi e poi vediamo come sono applicati agli scambiatori di calore comuni nei sistemi.
Scambiatori di calore a serpentina – semplificato
Gli scambiatori di calore a serpentina nella loro forma più semplice usano uno o più tubi che vanno avanti e indietro un certo numero di volte. Il tubo separa i due fluidi. Un fluido scorre all’interno del tubo e un altro scorre all’esterno. Vediamo un esempio di riscaldamento. Il calore è trasferito dal fluido interno caldo alla parete del tubo per convezione, poi conduce attraverso la parete del tubo all’altro lato e il fluido esterno porta via questo anche per convezione.
Scambiatori di calore a piastre – semplificato
Gli scambiatori di calore a piastre usano sottili piastre di metallo per separare i due fluidi. I fluidi generalmente scorrono in direzioni opposte per migliorare il trasferimento di calore. Il calore del fluido più caldo è convogliato sulla parete della piastra e poi condotto attraverso l’altro lato. L’altro fluido, che entra a una temperatura più bassa, lo porta via per convezione.
Diamo un’occhiata più in dettaglio a come questi tipi di scambiatori di calore sono applicati alle applicazioni HVAC.
Bobina a tubi alettati (fluido)
I tubi alettati sono spesso indicati semplicemente come una bobina, ad esempio la bobina di riscaldamento o raffreddamento. Questi sono estremamente comuni. Si trovano nelle unità di trattamento dell’aria, nei ventilconvettori, nei sistemi di canalizzazione, negli evaporatori e nei condensatori dei sistemi di condizionamento dell’aria, sul retro dei frigoriferi, nei riscaldatori da trincea e così via.
Per questi scambiatori di calore l’acqua, il refrigerante o il vapore di solito scorre all’interno e l’aria scorre all’esterno.
Per esempio, quando si usa per riscaldare l’aria, usando l’acqua riscaldata, l’acqua calda scorre all’interno del tubo e trasferisce la sua energia termica per convezione alla parete del tubo, c’è una differenza di temperatura tra l’acqua calda e l’aria quindi il calore viene condotto attraverso la parete del tubo. L’aria che passa all’esterno porta via questo per convezione.
Le alette di solito si collegano tra tutti i tubi, queste si trovano direttamente nel percorso del flusso d’aria e aiutano a tirare fuori il calore dal tubo e a farlo entrare nell’aria perché questo agisce come un’estensione della superficie del tubo. Più superficie = più spazio per il trasferimento del calore.
Scambiatore di calore a piastre
Gli scambiatori di calore a piastre sono usati nelle unità di trattamento dell’aria per scambiare energia termica tra i flussi d’aria di aspirazione e di scarico senza che l’umidità sia trasferita e senza che i flussi d’aria siano mescolati. Lo scambiatore di calore è fatto da sottili fogli di metallo, tipicamente alluminio, con i due fluidi di diversa temperatura che scorrono in direzioni diagonali opposte. Di solito si usa l’aria in entrambi, ma si possono usare anche i gas di scarico di qualcosa come un motore CHP.
Il calore di un flusso viene convogliato sulle sottili lastre di metallo che separano i flussi, questo viene poi condotto attraverso il metallo dove viene portato via per convezione forzata nell’altro flusso.
Riscaldatore da trincea
I riscaldatori da trincea sono installati intorno al perimetro di un edificio di solito sotto una finestra o una parete di vetro e sono molto comuni nei nuovi edifici commerciali. I riscaldatori da trincea sono installati nel pavimento e il loro scopo è quello di ridurre la perdita di calore attraverso il vetro e di prevenire la formazione di condensa.
Lo fanno creando una parete di correnti d’aria convettiva. I riscaldatori da trincea di solito usano acqua calda o elementi elettrici per riscaldare l’aria. La loro posizione a livello del pavimento significa che hanno accesso all’aria più fredda della stanza. Lo scambiatore di calore trasferisce il calore a questa attraverso un tubo alettato, questo fa sì che l’aria fredda si riscaldi e salga verso il soffitto. Mentre quest’aria calda sale, l’aria più fredda nella stanza si precipita a prenderne il posto. Questo crea una corrente convettiva e un confine termico tra il vetro e la stanza.
Riscaldatore elettrico a condotto – elemento a bobina aperta
Gli elementi riscaldanti a bobina aperta sono usati principalmente in applicazioni di condotti, forni e talvolta ventilatori. Questi funzionano usando bobine esposte di metallo altamente resistivo per generare calore. Questi scambiatori di calore sono posti direttamente nel flusso d’aria e mentre l’aria passa attraverso le bobine, l’energia termica viene trasferita per convezione. Questi forniscono un riscaldamento uniforme in tutto il flusso d’aria anche se sono usati solo dove è sicuro farlo e non può essere facilmente accessibile.
Scambiatori di calore a microcanali
Gli scambiatori di calore a microcanali sono un progresso sulla bobina a tubi alettati che fornisce uno scambio di calore superiore anche se questi sono usati solo per sistemi di refrigerazione e aria condizionata. È possibile trovare questo tipo di scambiatori di calore su refrigeratori raffreddati ad aria, unità di condensazione, AC residenziali, essiccatori d’aria, armadietti di raffreddamento e unità sul tetto, ecc.
Questi tipi di scambiatori di calore funzionano anche utilizzando la convezione come metodo principale di trasferimento del calore. Lo scambiatore di calore a microcanali ha un design semplice. Su ogni lato c’è una testata, tra ogni testata ci sono dei tubi piatti con delle alette in mezzo. L’aria passa attraverso le fessure delle alette per portare via l’energia termica.
Il refrigerante entra attraverso la testata e poi passa attraverso i tubi piatti fino a raggiungere l’altra testata. Le testate contengono deflettori che controllano la direzione del flusso del refrigerante e sono usate per far passare il refrigerante attraverso i tubi un certo numero di volte per aumentare il tempo trascorso all’interno e quindi aumentare la possibilità di trasferire l’energia termica.
All’interno di ogni tubo piatto ci sono un certo numero di piccoli fori noti come microcanali che corrono per l’intera lunghezza di ogni tubo piatto. Questi micro canali aumentano drasticamente la superficie dello scambiatore di calore che permette di trasferire più energia termica dal refrigerante all’involucro metallico dello scambiatore di calore. La differenza di temperatura tra il refrigerante e l’aria fa sì che il calore venga condotto attraverso l’involucro del tubo piatto e nelle alette. Quando l’aria passa attraverso le fessure, porta via l’energia termica attraverso la convezione.
Bobina dell’evaporatore del forno
Gli evaporatori del forno si trovano comunemente in grandi case e piccole proprietà commerciali con piccoli sistemi canalizzati. È possibile ottenere bobine più grandi che lavorano su principi simili, ma per sistemi più grandi, soprattutto per AHU in edifici commerciali di medie e grandi dimensioni. La bobina all’interno dell’evaporatore di un forno funziona come uno scambiatore di calore a tubi alettati e usa un refrigerante all’interno con aria canalizzata all’esterno. L’aria che passa attraverso i tubi trasferisce il suo calore per convezione forzata, questo viene poi trasferito attraverso la parete del tubo per conduzione, il refrigerante all’interno porta via questo calore per convezione forzata, il refrigerante bolle ed evapora fino al compressore.
Radiatori
Sono molto comuni specialmente in Europa e Nord America nelle case e nei vecchi edifici commerciali. Sono montati sui muri, tipicamente sotto una finestra, per fornire il riscaldamento dello spazio. La loro funzione è molto semplice, di solito sono collegati a un tubo di acqua calda che viene alimentato con acqua calda da una caldaia.
L’acqua entra attraverso un tubo di piccolo diametro e scorre all’interno del radiatore. L’area interna del radiatore è più grande del tubo che rallenta la velocità dell’acqua per dare più tempo al calore di essere trasferito.
Il calore dell’acqua è trasferito per conduzione alle pareti metalliche del radiatore. All’esterno del radiatore c’è l’aria della stanza. Quando quest’aria entra in contatto con la superficie calda del radiatore, il calore si trasferisce nell’aria e questo fa sì che l’aria si espanda e salga. L’aria più fredda si muove poi per sostituire quest’aria causando un ciclo continuo di aria in movimento che riscalda la stanza, quest’aria in movimento è quindi il trasferimento di calore per convezione. Il radiatore di solito ha alcune alette collegate sul retro o tra i pannelli, specialmente su quelli nuovi, queste sono solo lì per estendere la superficie del radiatore per fornire più opportunità di trasferire il calore nell’aria. I radiatori sono chiamati in modo errato perché trasferiscono principalmente per convezione.
Alcune volte troverai radiatori appositamente progettati collegati a sistemi a vapore, ma questo sta diventando meno comune, anche l’olio veniva usato ma questo è abbastanza raro ora.
Elemento di riscaldamento dell’acqua
L’elemento di riscaldamento dell’acqua si trova di solito nei caloriferi e negli scaldabagni, a volte è anche usato nel bacino delle torri di raffreddamento aperte per prevenire il congelamento dell’acqua in inverno. Queste utilizzano una bobina metallica lungo il tubo che ha un alto valore di resistenza. Questa resistenza genera calore. La bobina è isolata per contenere il flusso di corrente ma permettere il flusso di energia termica. L’elemento riscaldante è immerso in un serbatoio d’acqua e il calore è condotto fuori dall’elemento e nell’acqua. L’acqua che entra in contatto con l’elemento riscaldante viene quindi riscaldata e questo la fa salire all’interno del serbatoio, l’acqua più fredda entra per sostituire quest’acqua riscaldata dove questo ciclo continuerà.
Ruota rotante
Questi tipi di scambiatori di calore si trovano solitamente all’interno dell’unità di trattamento dell’aria tra i flussi d’aria canalizzati di alimentazione e di estrazione. Funzionano usando un piccolo motore elettrico collegato a una cinghia a puleggia per ruotare lentamente il disco dello scambiatore di calore che si trova direttamente nel flusso d’aria tra l’aspirazione dell’aria di scarico e dell’aria fresca. L’aria passa direttamente attraverso il disco, ma mentre lo fa entra in contatto con il materiale della ruota. Il materiale del disco dello scambiatore di calore assorbe l’energia termica da un flusso d’aria e mentre ruota entra nel secondo flusso d’aria dove rilascerà questa energia termica assorbita. Questo tipo di scambiatore di calore si tradurrà in una piccola quantità di miscelazione del fluido tra il flusso d’aria di aspirazione e di scarico a causa delle piccole lacune presenti dove la ruota ruota ruota, quindi non può essere utilizzato dove vengono utilizzati forti odori o fumi tossici.
Questi scambiatori di calore possono essere utilizzati nei mesi invernali per recuperare il calore dal flusso di scarico degli edifici, questo calore viene catturato dalla ruota termica e trasferito nel flusso di aspirazione dell’aria fresca che sarà molto più fresco dell’aria all’interno dell’edificio.
Questi scambiatori di calore possono anche essere usati nei mesi estivi per recuperare l’aria fredda dallo scarico dell’edificio e usarla per raffreddare l’aria fresca in entrata.
Bollitore ad acqua
Si trovano grandi caldaie come questa soprattutto in edifici commerciali medi e grandi in climi più freschi. Le case e gli edifici più piccoli useranno versioni molto più piccole, di solito montate a muro. Entrambi hanno molte varianti, ma questo tipo è molto comune.
Il combustibile viene bruciato nella camera di combustione (di solito gas o olio) e i gas di scarico caldi vengono forzati attraverso una serie di tubi fino a raggiungere la canna fumaria e vengono rilasciati nell’atmosfera. I tubi e la camera di combustione sono circondati da acqua. Il calore convoglia verso le pareti dei tubi e viene poi condotto attraverso l’acqua, che viene poi portata via per convezione. A seconda del design del sistema, l’acqua esce come acqua riscaldata o come vapore. Quest’acqua è forzata da una pompa, la velocità della pompa così come la quantità di combustibile bruciato possono essere variate per cambiare la temperatura e la portata.
Tubo di calore
Si trovano negli scaldacqua solari termici e in alcune serpentine AHU di recupero del calore. Se guardiamo all’applicazione solare termica, abbiamo un tubo di vetro speciale che viene evacuato da tutta l’aria per creare un vuoto e poi viene sigillato. Lo strato interno del tubo ha un rivestimento speciale. Il rivestimento e il vuoto lavorano insieme per evitare che il calore possa uscire una volta che entra nel tubo, quindi aiuta a spostarlo verso il tubo di calore al centro.
Il tubo di calore ha un’aletta su ogni lato collegata al rivestimento del tubo per raccogliere l’energia termica.
Il tubo di calore è un tubo di rame sigillato, lungo e cavo che corre lungo il tubo di vetro e ha un bulbo sporgente in cima. Il bulbo è collegato ad una testata e l’acqua fredda viene fatta passare attraverso la testata per attraversare la testa del bulbo.
All’interno del tubo di calore c’è una miscela di acqua tenuta a pressione molto bassa. Questa bassa pressione permette all’acqua di evaporare in vapore con poca aggiunta di calore. Il vapore sale poi nel bulbo dove cederà il suo calore all’acqua che scorre attraverso il collettore. Come il vapore cede il suo calore, si condensa e cade di nuovo verso il basso per ripetere il ciclo. Il tubo assorbe la radiazione termica, che viene poi condotta nel tubo. L’acqua all’interno convoglia questo fino al bulbo, il calore viene condotto attraverso la parete del tubo e viene portato via per convezione nel flusso d’acqua.
Trave fredda
Ci sono due tipi di travi fredde usate, passive e attive. Entrambi sono usati soprattutto negli edifici commerciali.
Le travi fredde attive funzionano facendo passare un liquido freddo, in genere acqua, attraverso uno scambiatore di calore a tubi alettati. L’aria viene poi convogliata nella trave fredda ed esce attraverso ugelli appositamente posizionati. Quest’aria si muove sul tubo alettato e soffia l’aria fredda nella stanza. Quindi, usando la convezione forzata.
Le travi fredde passive usano anche uno scambiatore di calore a tubi alettati, ma non hanno una fornitura d’aria canalizzata collegata. Creano invece una corrente di convezione naturale raffreddando l’aria calda a livello del soffitto. Quest’aria raffreddata poi sprofonda e viene rimpiazzata da aria più calda dove il ciclo si ripete.
Scaldabagno
Gli scaldabagno sono comuni nelle case con aria condizionata canalizzata. Sono molto comuni in Nord America. I riscaldatori a focolare utilizzano uno scambiatore di calore posto direttamente nel vapore dell’aria canalizzata. Il combustibile viene bruciato e il gas caldo viene inviato attraverso lo scambiatore di calore, il calore di questo viene convogliato nelle pareti dello scambiatore di calore, l’aria canalizzata più fredda passa attraverso l’altro lato causando una differenza di temperatura così il calore del gas viene condotto attraverso la parete e sarà portato via per convezione.
Scambiatore di calore a piastre
Ci sono due tipi principali di scambiatori di calore a piastre, il tipo a guarnizione e il tipo a piastra brasata. Entrambi sono molto efficaci nel trasferire l’energia termica, per un’efficienza ancora maggiore e un design compatto è possibile utilizzare scambiatori di calore a micropiastre per molte applicazioni. Abbiamo coperto tutti questi scambiatori di calore in grande dettaglio in precedenza.
Le cose fondamentali da sapere su questi due tipi di scambiatori di calore è che il tipo di guarnizione può essere smontato, la sua capacità di riscaldamento o raffreddamento può essere aumentata o diminuita semplicemente aggiungendo o rimuovendo piastre di trasferimento di calore. Li troverete utilizzati soprattutto nelle proprietà commerciali di alto livello per collegare indirettamente refrigeratori, caldaie e torri di raffreddamento ai circuiti di riscaldamento e raffreddamento e per collegare gli edifici alle reti di energia distrettuale.
Gli scambiatori di calore a piastre brasate sono unità sigillate che non possono essere smontate, la loro capacità di riscaldamento o raffreddamento è fissa. Sono utilizzati per applicazioni come pompe di calore, caldaie combinate, unità di interfaccia di calore, caloriferi di collegamento indiretto ecc.
Entrambi lavorano facendo passare fluidi, di solito in direzioni opposte, in canali adiacenti. I fluidi sono di solito acqua e o refrigerante. L’energia termica è convogliata sulla piastra, poi conduce attraverso la piastra e il fluido dall’altro lato porta via questo attraverso la convezione.
Pompe di calore
Le pompe di calore sono usate principalmente nelle case, ma a volte in proprietà commerciali. Ci sono due tipi principali di pompe di calore: ad aria e a terra. La fonte d’aria è comunemente usata per il riscaldamento degli spazi mentre la fonte di terra è più comunemente usata per il riscaldamento dell’acqua.
La fonte d’aria funziona come un sistema AC ma al contrario, invece di rimuovere il calore da una stanza, lo aggiunge. Un refrigerante passa dal compressore all’unità interna che contiene uno scambiatore di calore a tubi alettati. Il refrigerante trasferisce il suo calore per convezione alle pareti del tubo, poi viene condotto dall’altra parte. Dall’altro lato c’è l’aria fredda della stanza che viene forzata attraverso lo scambiatore di calore da un piccolo ventilatore, questo porta via il calore per convezione. Il refrigerante scorre poi verso la valvola di espansione e poi verso l’unità esterna che è anche uno scambiatore di calore a tubi alettati o uno scambiatore di calore a microcanali.
Quando l’aria passa attraverso questo scambiatore di calore, l’aria ambiente fa bollire il refrigerante e raccoglie il calore. Questo calore poi si fa strada attraverso il compressore fino all’unità interna per ripetere il ciclo.
La fonte di terra funziona un po’ diversamente. Una miscela di acqua e antigelo viene pompata attraverso tubi nel terreno per raccogliere il calore. Questo viene poi trasferito in un piccolo ciclo di refrigerazione attraverso uno scambiatore di calore a piastre brasate. Il refrigerante porta questo a un secondo scambiatore di calore a piastre saldobrasate che è collegato a un altro ciclo dell’acqua che questa volta trasferisce il suo calore in un serbatoio di acqua calda di solito attraverso un tubo a spirale non alettato.
Shell and tube
Shell and tube heat exchanger si trovano tipicamente nei refrigeratori sull’evaporatore e o sul condensatore, a volte anche come raffreddatore di olio lubrificante. Hanno un contenitore esterno noto come guscio. All’interno del guscio ci sono una serie di tubi conosciuti come tubi. I tubi contengono un fluido e il guscio un altro fluido. I due fluidi sono sempre separati dalle pareti dei tubi, non si incontrano né si mescolano mai. I fluidi saranno a temperature diverse che causano il trasferimento di energia termica tra i fluidi e questa energia termica passerà attraverso le pareti dei tubi. Quando sono usati nell’evaporatore o nel condensatore, i due fluidi saranno acqua e refrigerante. A seconda del design l’acqua può essere nel guscio o nel tubo e il refrigerante sarà nell’altro.
Chiller
Un chiller userà uno scambiatore di calore a guscio e tubo, uno scambiatore di calore a piastre o uno scambiatore di calore a tubi alettati. Molti chiller useranno in realtà una combinazione di tutti questi. Per esempio, un refrigeratore raffreddato ad aria può usare uno scambiatore di calore a fascio tubiero per l’evaporatore, uno scambiatore di calore a tubi alettati o a microcanali per il condensatore, uno scambiatore di calore a piastre saldobrasate per il raffreddamento del compressore e uno scambiatore di calore a piastre con guarnizione per collegare indirettamente il refrigeratore al circuito di raffreddamento centrale.