L'importanza dello Scambio di Calore

importanza scambiatore di calore
Fig.1In questo articolo trattiamo l’importanza della funzione degli scambiatori di calore.

Spesso gli impianti termici non riescono a sfruttare il 100% dell’energia prodotta dalla centrale termica per colpa dello scambio di calore insufficiente.

Tra il generatore di calore ed il suo utilizzo, c’è sempre in mezzo uno scambiatore di calore, la sua funzione è quella di trasferire il calore dal un circuito primario ad uno circuito secondario, e lo deve fare con la massima efficienza.

Questo scambiatore di calore potrà essere a fascio tubiero immerso nel liquido da scaldare, oppure uno scambiatore a piastre, che trasferisce il calore tra due circuiti dove circola del fluido e ci sarà uno scambio di calore tra un circuito e l’altro.

In figura 1 vediamo un’immagine di scambiatori di calore a fascio tubiero inseriti in un serbatoio di accumulo termico.

scambiatore calore
Fig.2Nell'immagine vediamo la versione con uno e con due scambiatori di calore.

Ci possono essere molti scambiatori di calore in un serbatoio, ma non è l’argomento chi stiamo trattando ora.

Nella figura 2 vediamo uno scambiatore a piastre, dove circolerà due flussi di liquidi uno caldo (che proviene dal generatore di calore) ed uno da scaldare, che andrà al circuito di utilizzo.

Questi due flussi avranno una circolazione incrociata.

Ci sono anche altri tipi di scambiatori di calore, ma i più diffusi sono questi due.

Per avere una buona efficienza di scambio termico si dovrà avere un’ampia superfice di scambio, ma soprattutto una giusta velocità di transito del fluido vettore, in modo che si abbia il tempo di cedere il calore dal circuito primario al circuito secondario.

Spesso i problemi di basso rendimento si risolvono abbassando la portata di ricircolo delle pompe, in modo tale che tutta l’energia prodotta dalla centrale venga trasferita all’impianto radiante in modo corretto.

Non meno importante è la superfice di scambio termico, che dovrà essere dimensionata in base alle potenze termiche del progetto.

Un metodo di controllo per appurare che lo scambio di calore sia avvenuto in maniera corretta è quello di misurare la temperatura in ingresso e quella in uscita dello scambiatore di calore.

Se in mandata abbiamo una temperatura di 70° ed sul ritorno ne abbiamo una di 50° lo scambio di calore è avvenuto in maniera corretta.

Diversamente se abbiamo mandata 70° ritorno 60° è stato ceduto poco calore, ed occorre stabilirne la causa.

Se il Delta T. ( differenza di due valori termici) è troppo accentuato tipo 70° mandata, 35° ritorno, vuol dire che il generatore di calore è sottodimensionato e non ha la giusta potenza termica per servire l’impianto radiante di utilizzo.

Riepilogando, fin qui abbiamo illustrato l’importanza di tre elementi fondamentali, che sono:

Entriamo ora nel cuore dell’argomento che intendo approfondire.

Il riscaldamento di un Boiler, tramite un generatore di calore elettrico

Prendiamo in esame due tecnologie di riscaldamento elettrico che sono:

Quindi entrambi sono due carichi resistivi come si suol dire in termini tecnici.

Non prendiamo in esame in questa nostra comparazione la pompa di calore, in quanto è un carico induttivo.

Fa parte di un’altra famiglia di generatori di calore elettrici, molto più complessi e costosi, e non è adatta al nostro fine, ovvero: l’accumulo termico da Fotovoltaico

Argomento che tratto in maniera più approfondita su un altro mio articolo, La Casa a Costo Zero.

scambiatore a fascia tubieroresistenza elettrica

In queste due immagini vediamo una resistenza elettrica e uno scambiatore a fascio tubiero.

La resistenza elettrica è contemporaneamente sia generatore che scambiatore di calore, mentre lo scambiatore a fascio tubiero è solo uno scambiatore.

scambiatore calore
Fig.3Il generatore di calore sarà esterno, la Cella Ionica (figura 3).

Quello che salta subito all’ occhio è la grande differenza delle dimensioni e della superfice di scambio termico.

Quindi a parità di potenza termica, ipotizziamo 2 Kw, e a parità di litri di acqua da scaldare, la resistenza elettrica sarà molto meno performante rispetto alla Cella Ionica con scambiatore a fascio tubiero.

Questo perché l’energia termica prodotta verrà ceduta all’acqua in maniera più veloce ed efficiente.

Altra particolarità che rende molto più efficiente la Cella Ionica, rispetto alla resistenza elettrica, è questa che ti sto per illustrare.

La resistenza elettrica con la sua poca superfice di scambio e la sua elevata potenza è comunque immersa in un serbatoio di accumulo dove dovrà scaldare – ipotizziamo 200 lt di acqua  – che stanno tutti lì, intorno alla resistenza che dovrà svolgere un lavoro gravoso ed avrà una curva di efficienza iniziale molto piatta, in quanto le potenze termiche iniziali risulteranno sbilanciate.

Ci sarà quindi un consumo di energia elettrica di 2 Kw che verranno ceduti all’acqua con un potere di scambio termico molto basso, di conseguenza avremo dei tempi molto lunghi per arrivare alla temperatura che abbiamo impostato sul termostato.

La Cella Ionica invece lavora su un altro principio di produzione e cessione del calore, lo vediamo nello schema sotto.

Con questa configurazione la Cella Ionica dovrà riscaldare solo il fluido presente al suo interno circa mezzo litro, quindi tutta la sua potenza verrà scaricata direttamente sul liquido vettore e lo farà con il processo della dissociazione Ionica, quindi ad alto rendimento.

In questo modo, non sovraccaricando il generatore termico con enormi quantità di acqua, raggiungeremo immediatamente temperature molto elevate 80/90°, che verranno poi convogliate nello scambiatore a fascio tubiero immerso nel serbatoio.

serb di accumulo
Fig.4In questo modo otterremo il risultato di cedere molto calore all’acqua in poco tempo, perché avremo unito due processi molto efficienti, sia di generazione che di scambio del calore.

Volendo portare la temperatura dell’acqua fino a 80° in un serbatoio di accumulo di 200 lt , se adotteremo la tecnologia della Cella Ionica a parità di potenza elettrica assorbita, impiegheremo meno della metà del tempo rispetto alla resistenza elettrica.

Questo si traduce in un risparmio di costi di esercizio del 50%.

Ora per tutti quelli che parlano solo di COP vorrei spostare la loro attenzione anche sull’efficienza di un impianto , il modo in cui si può raggiunge lo stesso obbiettivo.

Nella figura 5 vediamo un sistema di accumulo a stratificazione controllata dove nella parte bassa si trova un particolare scambiatore di calore in rame inserito in uno spazio ristretto dove abbiamo pochi litri di acqua che, una volta riscaldata, verrà trasferita tramite un “Camino forato” nella parte alta del serbatoio.

serbatoio d'accumulo img7
Fig.5E lì prelevata per l’acqua sanitaria.

In questo modo convoglieremo tutta l’energia termica in maniera più efficiente dove più ci interessa.

Questo schema ricalca la logica di impianto della cella Ionica che abbiamo illustrato prima.

Immaginiamo di adottare questo serbatoio di accumulo con la nostra centrale termica a Dissociazione Ionica, si uniranno le efficienze delle due tecnologie ed avremo creato una centrale termica elettrica ad altissimo rendimento con costi di esercizio estremamente competitivi.

Potremo quindi creare accumuli ad alta temperatura che ci consentirà di immagazzinare parecchi Kw termici di giorno quando il fotovoltaico produce energia ed utilizzarli poi nel resto della giornata tenendo spento il generatore termico.

Avremo fatto l’accumulo termico da fotovoltaico, con la quota parte di energia che non avremmo mai consumato.

In questo modo abbiamo valorizzato il nostro precedente investimento (il fotovoltaico) ed abbassato in maniera consistente la bolletta Termica.

Relatore
P. Ind. Stefano Pignotti

S.T.E. Pignotti vende e installa i propri prodotti in tutte le provincie della regione Marche: Ancona, Ascoli Piceno, Fermo, Macerata e Pesaro.
L'azienda ha sede a Civitanova Marche (MC) ed è specializzata nel settore della climatizzazione, pompe di calore ed energie rinnovabili.