Come funziona un generatore a recupero di calore?

Le caldaie industriali convertono una parte del calore trasmesso al fluido termovettore in lavoro, che è la forma di energia più utile. La parte restante del calore è ceduta a fiumi, laghi, mari e oceani o all’atmosfera sotto forma di calore di scarto, perché la sua qualità è troppo bassa per essere di impiego pratico.
Lo scarto di una grande quantità di calore è il prezzo che dobbiamo pagare per produrre lavoro (meccanico o elettrico) in quanto rappresenta la forma di energia per eccellenza che permette il funzionamento di tantissimi dispositivi tecnici. Molti altri, però, richiedono la somministrazione di energia sotto forma di calore, chiamato calore di processo.
Esempi di settori industriali che si basano principalmente sul calore di processo sono l’industria chimica, alimentare, tessile, del legno e della carta, siderurgica e di estrazione e raffinazione del petrolio. In questi settori, il calore di processo è fornito dal vapore a 5-7 atm e a 150-200°C. L’energia che viene somministrata al vapore deriva dalla combustione di carbone fossile, gas naturale, petrolio o un altro combustibile.

La temperatura nella camera di combustione è molto alta, di circa 1370°C, e l’energia contenuta nella camera, che è di altissima qualità, viene trasmessa all’acqua per generare vapore a una temperatura di circa 200°C o inferiore. Questa trasformazione, altamente irreversibile, comporta una grossa perdita di potenzialità di energia o di lavoro. Ha poco senso utilizzare energia di alta qualità per eseguire un compito che può essere svolto con energia di bassa qualità.

Il recuperatore di calore consente di conservare l’energia termica di scarto in modo da poterla utilizzare per produrre vapore di processo o acqua calda che servono per operazioni secondarie, nel senso che non richiedono che l’energia sia di alta qualità, come ad esempio:

• riscaldamento degli ambienti (case, piscine,..);
• riscaldamento dell’acqua per le caffetterie;
• riscaldamento dell’acqua sanitaria (acqua bollente per docce e bagni);
• processi di asciugatura;
• preriscaldamento dei fluidi o delle materie prime per i processi produttivi;
• costruzione di freni termici;
• sterilizzazione;
• pastorizzazione.

Il recupero del calore è reso possibile dallo scambiatore di calore, un apparecchio termico che funziona grazie alla differenza di temperatura di due corpi, tra i quali s’innesca un passaggio naturale di calore fino a quando il sistema raggiunge una temperatura di equilibrio.
Anche se non appartiene alla categoria delle caldaie industriali vere e proprie, questi sistemi ne sfruttano i principi fondamentali per trasmettere calore da un fluido ad un altro.

Gli scambiatori di calore si distinguono tra quelli con miscelazione dei due fluidi (scambiatore a miscela), come il degrassatore, e quelli dove i due fluidi che si scambiano energia termica rimangono separati (scambiatori a superficie), che sono in assoluto i più diffusi.

Gli scambiatori a superficie permettono lo scambio termico tra due fluidi, senza contatto e miscelamento, grazie a pareti metalliche resistenti alle alte temperature. Si compongono di:

• un corpo cilindrico allungato (mantello);
• fascio di tubi longitudinali di piccolo diametro (fascio tubiero).

Le tipologie degli scambiatori cambiano in base alla geometria dei fasci tubieri e sono chiamati:

• a piastre fisse: i tubi sono mandrinati alle due piastre, una delle quali obbliga il fluido a percorrere metà del fascio tubiero in un senso e l’altra metà in senso opposto. Vengono impiegati solo con fluidi che non danno luogo a depositi o incrostazioni e per ottenere acqua calda;
• a tubi piegati: i tubi sono ripiegati a forma di U e mandrinati sulla stessa piastra tubiera in modo che il fluido, una volta penetrato in essi, li percorre fino allo sbocco; non c’è rischio per le dilatazioni. Il fluido riscaldante compie un percorso sinuoso investendo più volte il fascio tubiero e facilitando così la trasmissione del calore. Vengono utilizzati per recuperare il calore dei gas per produrre acqua calda o vapore;
• a testa flottante: sono dotati di una piastra fissa e di una mobile, in modo da consentire la più assoluta libertà di dilatazione; inoltre, molto facile è la pulizia interna ed esterna in quanto il fascio tubiere è composto da tubi diritti ed è facilmente estraibile.

Lo scambio termico tra due corpi con diverse temperature avviene a seconda del moto dei due fluidi. Lo scambiatore a superficie può essere in:

• equi-corrente: i fluidi si muovono lungo la stessa direzione e lungo lo stesso verso;
• contro-corrente: i fluidi si muovono lungo la stessa direzione ma verso opposto;
• a correnti incrociate: i fluidi si muovono in percorsi tra loro ortogonali.

Solo nel caso di scambio in controcorrente la temperatura di uscita del fluido freddo può essere superiore a quella di uscita del fluido caldo. E’ la soluzione più efficiente ed è quella che consente il processo di raffreddamento.

L’investimento iniziale per un generatore di recupero del calore è piuttosto contenuto se confrontato al risparmio che si ottiene nel lungo periodo trattenendo e riciclando energia preziosa.