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Lo scambiatore di calore a piastre è progettato per il trasferimento di calore tra vari materiali di lavoro. Le coppie di materiali di lavoro, per altro, possono essere sia di tipo vapore-liquido che liquido-liquido.
Come superfici di scambio termico vengono utilizzate delle piastre sottili, stampate e corrugate.
I termovettori si muovono nello scambiatore di calore attraverso canali di forma complessa tra le piastre posizionate una vicina all’altra. I canali destinati ai termovettori, che danno e ricevono calore, si susseguono l’uno all’altro, alternandosi.
Le piastre sottili e corrugate hanno poca resistenza termica e, inoltre, garantiscono la turbolenza del flusso del termovettore e per questo gli scambiatori di calore di questo tipo hanno un’alta efficienza di trasferimento di calore.
L'ermeticità dei canali attraverso i quali si muovono i termovettori e la loro distribuzione tra i canali sono garantite da guarnizioni in gomma, posizionate lungo il perimetro della piastra.
Una di queste guarnizioni copre due fori negli angoli della piastra, attraverso i quali il termovettore entra ed esce dal canale tra le piastre. Il flusso del termovettore di compensazione transita attraverso due fori diversi che sono ulteriormente isolati da guarnizioni ad anello. L’ermeticità dei canali è garantita da delle guarnizioni doppie attorno ai fori di entrata ed uscita. In caso di danneggiamento della guarnizione il termovettore fuoriesce verso l'esterno attraverso speciali scanalature (in figura indicate dalle frecce). Questo aiuta a determinare la violazione dell’ermeticità in modo visivo e a sostituire velocemente la guarnizione.
Nello scambiatore di calore, dopo il montaggio, le piastre vengono serrate con i bulloni fino ad ottenere la dimensione desiderata. Le guarnizioni di gomma, inoltre, formano un sistema di canali ermetici isolati l'uno dall'altro che servono per il termovettore di riscaldamento e di refrigerazione. Ogni piastra successiva è girata rispetto alla precedente di 180 gradi, cosa che, creando le condizioni per un movimento turbolento del liquido, migliora l'efficienza di trasferimento di calore e allo stesso tempo serve a garantire la rigidità del gruppo di piastre.
I sistemi di canali tra le piastre sono collegati ognuno con il proprio collettore e ciascuno ha i propri punti di entrata e di uscita del termovettore su una piastra fissa.
L’unità di piastre viene fissata al telaio dello scambiatore di calore.
Allestimento del telaio dello scambiatore di calore: una piastra fissa, una piastra mobile, un supporto, guida superiore e guida inferiore e i bulloni di serraggio.
Durante il montaggio le guide, superiore e inferiore, vengono inizialmente fissate al supporto e alla piastra fissa. In seguito, sulle guide si inserisce prima l’unità di piastre e poi la piastra mobile. Le piastre mobile e fissa vengono fissate con i bulloni di serraggio.
Gli scambiatori di calore a circuito singolo sono progettati in modo che i tubi collegati si trovino su una lastra fissa. Per fissare lo scambiatore di calore alla struttura di costruzione o tecnologica, si dispone di staffe di montaggio sul supporto e sulla piastra fissa.
Un impianto scambiatore di calore a piastre montato e pronto all'uso si distingue per le sue piccole dimensioni ed un alto livello di rendimento. La specifica superficie di lavoro di tale apparato può raggiungere i 1,500 m2/m3. La progettazione di tali dispositivi include un set di lastre corrugate che sono separate l’una dall’altra da dei distanziatori. I distanziatori formano delle canalette ermetiche. Il materiale di lavoro che irradia calore, scorre nello spazio tra le cavità, mentre all'interno delle cavità si trova il materiale di lavoro che assorbe il calore o viceversa. Le piastre sono montate su un telaio ad aste e sono posizionate in modo compatto l'una rispetto all'altra.
Ogni piastra è dotata della seguente serie di guarnizioni:
In questo modo, la struttura ha quattro canali separati per l'entrata e l'uscita dei due termovettori coinvolti nel processo di scambio di calore. Questo tipo di apparecchi sono in grado di distribuire i flussi in tutti i canali, in parallelo o in serie. Così, se necessario, ogni flusso può passare attraverso tutti i canali oppure per gruppi specifici.
I vantaggi che di solito vengono attribuiti a questo tipo di apparecchi sono l'intensità del processo di scambio di calore, la compattezza e inoltre la possibilità di smontaggio totale del macchinario per la pulizia. Tra gli svantaggi vi sono la necessità di uno scrupoloso smontaggio per conservare l’ermeticità (è il risultato della presenza di un gran numero di canali). Inoltre, altri svantaggi di questo tipo di macchinario sono la tendenza alla corrosione dei materiali di cui sono fatte le guarnizioni e la limitata resistenza termica.
Nei casi in cui è possibile che la superficie di riscaldamento di uno dei fluidi termovettori si sporchi, vengono usati dispositivi la cui struttura è costituita da piastre saldate a coppie. Se si esclude la possibilità che la superficie di riscaldamento si sporchi dalla parte di entrambi i fluidi termovettori, vengono utilizzati scambiatori di calore saldati e non smontabili (come, ad esempio, un apparecchio con canali ondulati e movimento incrociato dei fluidi).
Gli scambiatori di calore a piastre vengono suddivisi in diverse tipologie in base alla loro progettazione e alle dimensioni della batteria di piastre.
In base alla progettazione, gli scambiatori di calore si dividono in:
Gli scambiatori di calore a piastre hanno i seguenti vantaggi rispetto ad altri tipi di scambiatori:
Riduzione dello spazio occupato dall’attrezzatura di scambio di calore.
La capacità di auto-pulizia dello scambiatore di calore.
Alto coefficiente di trasferimento di calore.
Piccole perdite di pressione.
Riduzione del consumo di energia elettrica.
Facilità di riparazione dell'attrezzatura.
Il tempo necessario per la riparazione di attrezzature è limitato.
Una piccola quantità di riscaldamento incompleto.
Il fattore principale, che gioca un ruolo importante durante l’assemblaggio e il posizionamento dell'attrezzatura, è la sua compattezza. Le dimensioni dello scambiatore di calore a piastre è inferiore rispetto, ad esempio, ad uno a fascio tubiero. Consente di raggiungere un indice più alto del coefficiente di scambio termico e dimensioni più compatte. Così, la superficie di scambio termico è il 99,0 - 99,8% della superficie totale della piastra.
In seguito, tutte le portelle congiunte si trovano sulla sua piastra fissa, cosa che rende l'installazione e il collegamento dello scambiatore di calore notevolmente più semplice. Inoltre, per i lavori di riparazione richiede molto meno spazio di quanto ne richieda la riparazione di scambiatori di calore di tipo diverso.
Il movimento attraverso i canali del liquido termovettore a strato sottile, un’alta turbolenza del suo flusso forniscono un alto coefficiente di scambio termico. La superficie ondulata della piastra, inoltre, dà la possibilità di ottenere un flusso turbolento già con una velocità relativamente bassa del flusso del termovettore. Perciò il riscaldamento incompleto, in questo caso, secondo modalità di funzionamento calcolate raggiunge i 1-2 oC, mentre per gli scambiatori a fascio tubiero, nel migliore dei casi, questo valore è di 5-10 oC.
La particolarità costruttiva degli scambiatori di calore a piastre consente di ridurre la resistenza idraulica, ad esempio, cambiando la larghezza totale del canale. Inoltre, il valore massimo ammissibile di perdite idrauliche può essere ridotto con l'aumento del numero di canali nello scambiatore di calore. A sua volta, la riduzione della resistenza idraulica riduce il consumo di energia elettrica per le pompe.
Le riparazioni periodiche delle attrezzature sono sempre associate a lavori di montaggio e smontaggio. Lo smontaggio di uno scambiatore di calore a fascio tubiero è un processo di ingegneria molto complesso. Per lo smontaggio e l’estrazione del fascio di tubi è necessario l'utilizzo di un meccanismo di sollevamento e un intero processo di smontaggio richiede molto tempo. In caso di riparazione di uno scambiatore di calore a piastre non è necessario l’utilizzo di meccanismi di sollevamento. La riparazione può essere liberamente e velocemente eseguita da un team di 2-3 persone.
Inoltre, la potenza dello scambiatore di calore può essere agevolmente modificata con l'aumento della superficie di scambio termico. Questa sua caratteristica è importante, ad esempio, se in caso di un’espansione della produzione si verifica la necessità di aumentare la potenza dell’apparecchiatura per lo scambio di calore. In questo caso è sufficiente, non sostituendo lo scambiatore di calore, aggiungere la quantità di piastre necessaria.
Attrezzatura per lo scambio di calore, incenerazione
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