Il corretto dimensionamento dello scambiatore di calore è una delle fasi più importanti nella progettazione di qualsiasi impianto termico. Un'unità sottodimensionata non sarà in grado di soddisfare le prestazioni richieste; un'unità sovradimensionata comporta uno spreco di costi di investimento, aumenta la caduta di pressione e può causare problemi operativi quali instabilità della portata o distribuzione non uniforme del refrigerante.
La presente guida illustra i parametri chiave e le fasi necessarie per il dimensionamento di uno scambiatore di calore a piastre saldate per una tipica applicazione nel settore HVAC o industriale.
Fase 1: Definizione della potenza termica
Il punto di partenza per il dimensionamento di qualsiasi scambiatore di calore è la potenza termica, ovvero la quantità di calore da trasferire. Questa è espressa in kilowatt (kW) o megawatt (MW) e viene calcolata in base alle portate e alle variazioni di temperatura su un lato dello scambiatore.
Q = ṁ × Cp × ΔT dove Q = carico termico (kW), ṁ = portata massica (kg/s), Cp = capacità termica specifica (kJ/kg·K), ΔT = differenza di temperatura (K)
Esempio: una sottostazione di teleriscaldamento deve raffreddare l’acqua primaria da 80 °C a 55 °C con una portata di 5 m³/h. La potenza termica è approssimativamente: Q = (5000/3600) × 4,18 × (80-55) = 145 kW
Fase 2: Definizione dei parametri del lato secondario
Una volta stabilito il carico sul lato primario, è necessario definire le temperature di ingresso e di uscita e la portata sul lato secondario. Ciò consente di calcolare il bilancio termico e di verificare che il carico termico sia coerente su entrambi i lati.
Per l’esempio sopra riportato, se il circuito secondario (riscaldamento dell’edificio) entra a 45 °C e deve uscire a 70 °C, la portata secondaria richiesta può essere calcolata con la stessa formula.
Fase 3: Calcolare la differenza di temperatura media logaritmica (LMTD)
La LMTD è la forza motrice della temperatura media effettiva per il trasferimento di calore attraverso lo scambiatore. Per uno scambiatore di calore a controcorrente (la configurazione normale per gli scambiatori di calore a piastre):
LMTD = (ΔT1 – ΔT2) / ln(ΔT1/ΔT2) dove ΔT1 = ingresso caldo – uscita fredda, ΔT2 = uscita calda – ingresso freddo
Per l’esempio del teleriscaldamento: ΔT1 = 80 – 70 = 10 °C, ΔT2 = 55 – 45 = 10 °C. In questo caso LMTD = 10 °C (il caso simmetrico).
Un LMTD più basso indica che è necessario uno scambiatore di calore più grande. Una temperatura di approccio più stretta tra i due flussi in uscita aumenta l’LMTD e generalmente migliora l’efficienza del sistema, ma fa aumentare le dimensioni e il costo dello scambiatore di calore.
Fase 4: Specificare le proprietà dei fluidi e le condizioni di esercizio
La scelta dello scambiatore di calore richiede dati precisi sulle proprietà del fluido per entrambi i circuiti:
- Tipo di fluido (acqua, soluzione di glicole, refrigerante, olio, ecc.)
- Concentrazione (per le soluzioni di glicole)
- Temperature di esercizio massime e minime
- Caduta di pressione massima consentita su ciascun circuito
- Pressione massima di esercizio
- Pulizia del fluido / tendenza all’incrostazione
Fase 5: Utilizzo del software di selezione
Il dimensionamento manuale degli scambiatori di calore partendo dai principi fondamentali è complesso e iterativo. In pratica, i produttori di scambiatori di calore forniscono un software di selezione che esegue automaticamente questi calcoli e identifica il modello, il numero di piastre e la configurazione corretti.
La piattaforma di selezione online CAIRO di HEXONIC consente agli ingegneri di inserire il carico termico, i parametri del fluido e i vincoli di pressione e di ottenere una selezione ottimizzata dello scambiatore di calore. CAIRO copre l’intera gamma di prodotti HEXONIC, inclusi gli scambiatori a piastre saldate, a piastre e telaio e a serpentina.
- Accedete a CAIRO all’indirizzo: cairo.hexonic.com
- Dati richiesti: carico termico, tipi di fluido, temperature di ingresso/uscita, caduta di pressione massima, pressione di esercizio
- Risultato: modello consigliato, numero di piastre, dati sulle prestazioni termiche, cadute di pressione, disegno quotato
Fase 6: Verifica della selezione
Prima di finalizzare la selezione, verificare:
- Che le prestazioni termiche soddisfino il carico richiesto nelle condizioni operative più sfavorevoli (non solo nel punto di progetto)
- Le cadute di pressione rientrino nei limiti consentiti per la selezione della pompa
- La pressione nominale di esercizio superi la pressione massima del sistema, compreso il margine per gli urti idraulici
- I collegamenti e le dimensioni siano compatibili con lo spazio di installazione
- Il modello selezionato sia omologato per i fluidi e le temperature specificati (soprattutto per impieghi alimentari o farmaceutici)
Errori comuni di dimensionamento da evitare
- Sottodimensionamento per condizioni di carico di picco — dimensionare sempre in base al carico massimo previsto, non solo a quello medio
- Ignorare il margine di incrostazione — per i circuiti con acqua non pulita, aggiungere un fattore di incrostazione alla selezione
- Specificare una temperatura di approccio troppo stretta — questo fa aumentare le dimensioni e i costi in modo sproporzionato; un approccio di 3–5 °C è tipico per gli impianti HVAC
- Non tenere conto della concentrazione di glicole — le miscele di glicole/acqua hanno un Cp inferiore e una viscosità superiore rispetto all’acqua pura, influenzando in modo significativo il dimensionamento
- Trascurare la caduta di pressione — uno scambiatore selezionato esclusivamente in base alle prestazioni termiche può generare una caduta di pressione eccessiva, richiedendo una pompa più grande o un modello più lungo con un numero inferiore di piastre
Utilizzate lo strumento di selezione online CAIRO di HEXONIC per il dimensionamento istantaneo degli scambiatori di calore — oppure contattate direttamente il nostro team di ingegneri per applicazioni complesse e requisiti personalizzati.
Frequently Asked Questions
How many plates does a brazed plate heat exchanger typically have?
This depends entirely on the duty. Small DHW applications may require as few as 10–20 plates. Large district heating substations or industrial applications may use 60–100+ plates. The HEXONIC CAIRO selection software calculates the optimum plate count for any given duty.
Can I use the same heat exchanger for different duties?
A heat exchanger is sized for a specific set of operating conditions. Operating significantly outside its design envelope — particularly at much lower flow rates or very different temperature levels — can cause operational issues such as maldistribution or insufficient turbulence. Always re-verify the selection if system operating parameters change.
What information do I need to get a heat exchanger quote from HEXONIC?
To provide an accurate quotation, HEXONIC requires a process data sheet specifying: fluid types and properties, inlet and outlet temperatures for both circuits, flow rates, maximum allowable pressure drop, maximum working pressure, and any material or certification requirements. Our engineers will review your data and propose the optimum solution.
