Vantaggi dell’uso degli scambiatori di calore Pillow-Plate (PPHE)

La settimana scorsa, abbiamo pubblicato la nostra brevissima introduzione su questo scambiatore di calore innovativo, il Pillow Plate, spiegando l’origine del nome Pillow, citando alcuni esempi di applicazioni e spiegando il processo di fabbricazione delle piastre.

Lo scopo di questo articolo è di descrivere diversi vantaggi che i PPHE offrono in relazione a certe applicazioni. Alcune di queste applicazioni principali sono macchine per il ghiaccio; pompe di calore; serbatoi rivestiti da piastre pillow; evaporatori falling film; thermosyphon reboiler, column reboiler, e recupero di calore. Queste applicazioni sono presenti in molte industrie come HVAC, alimentare, chimica, automobilistica, ecc.

Oltre al fatto di avere un’alta resistenza alla corrosione, basse perdite di carico, alta resistenza alla pressione e temperatura, come citato nell’articolo precedente, l’elenco seguente descrive altri vantaggi dell’uso dei Pillow Plate:

• Facilità di pulizia: Il PPHE ha una estrema facilità di pulizia, che porta anche a bassi costi di manutenzione. A differenza di altri tipi di scambiatori di calore, come quelli a fascio tubiero, non è disponibile una procedura di pulizia meccanica. I canali interni delle piastre a cuscino possono essere puliti esclusivamente chimicamente o con l’uso di un flusso di ritorno. Non è auspicabile utilizzare fluidi con un elevato fattore di sporcamento nei canali interni ma solo nei canali esterni tra le piastre che possono essere puliti sia chimicamente che meccanicamente.
• Alta affidabilità di saldatura: Comunemente i diametri dei punti di saldatura sono scelti più piccoli possibile, così da fornire la stabilità meccanica necessaria per la piastra, il processo di idroformatura e l’uso a lungo termine delle piastre. La riduzione del diametro del punto di saldatura migliora lo scambio termico e diminuisce le perdite di carico. Mitrovic e Maletic (2011) hanno riportato che la presenza di un punto di saldatura in un canale della piastra pillow aumenta le prestazioni termiche rispetto ad altri scambiatori di calore convenzionali, in particolare ad un alto numero di Reynolds.
• Eccellente progettazione della Turbolenza: L’aspetto ondulato delle piastre è un fattore chiave nelle prestazioni termoidrauliche di questo tipo di scambiatore di calore, garantendo il movimento turbolento dei vettori di calore al loro interno. La possibilità di utilizzare aree trasversali diverse per il lato freddo e quello caldo permette di ridurre la superficie di scambio termico nei PPHE rispetto ad altri tipi di scambiatori di calore nelle stesse condizioni di applicazione. (Arsenyeva et al. 2018)
• Alto coefficiente di scambio termico: Il fluido all’interno delle Pillow-Plates viene continuamente reindirizzato dallo schema dei punti di saldatura. Questo porta a strati limite sottili e buone prestazioni di trasferimento del calore, e quindi, a una minore superficie di scambio termico richiesta e a un investimento inferiore. (M. Tran et al. 2018).
• Nessuna guarnizione richiesta: Poiché non sono richieste guarnizioni, è il PPHE a raggiungere alte temperature e alte pressioni lasciando da parte la necessità di cautela sulla scelta del materiale della guarnizione a specifiche condizioni operative. E questo significa un minor costo di produzione.
• Design flessibile: Grazie al loro design flessibile, le piastre pillow possono essere utilizzate anche come camicie di riscaldamento o raffreddamento per reattori, serbatoi, tubi di serbatoi di stoccaggio, ecc. (M. Tran et al. 2018).

Dall’elenco di cui sopra è evidente che ci sono molti vantaggi quando si utilizza un PPHE sia per le prestazioni termiche sia per i bassi costi di fabbricazione e bassi costi di manutenzione rispetto ad altri tipi di scambiatori di calore.  Il loro processo di fabbricazione è molto più semplice di quello degli scambiatori di calore a fascio tubiero, coinvolgendo molto meno spazio fisico, costi di trasporto e di installazione e materiale.

La geometria ad alta complessità delle piastre Pillow rende la loro progettazione una sfida interessante. In genere, un parametro di progettazione viene valutato per aumentare le prestazioni di PPHE. (M. Tran et al. 2018). Diversi studi riportano le prestazioni termiche di diversi tipi di PPHE confrontando dati numerici e sperimentali (Jia et al., 2017; Zhang et al., 2017; Aradag et al., 2017; Arie et al., 2015; Dutta e Rao, 2018; Jin e Hrnjak, 2017; Rao e Das, 2004; Rao et al., 2006, apud Shirzada et al. (2019)). Piper M. et al. (2015), hanno studiato la determinazione dei parametri geometrici di progettazione del PPHE presentando nuove equazioni, ottenute da simulazioni, per la determinazione accurata del diametro idraulico medio, dell’area trasversale media e dell’area di trasferimento del calore per il canale interno e il canale esterno.

Il contributo principale del loro lavoro è che le equazioni presentate consentono il calcolo dei numeri di Reynolds e Nusselt, nonché l’area di scambio termico per il PPHE. Shirzada et al. (2019) hanno studiato gli effetti dei parametri geometrici sulle prestazioni del PPHE attraverso simulazioni numeriche confrontandoli con i dati sperimentali.

Figure 1. a) Struttura PPHE

Figure 1. b) Canali formati per le pillow plates;  Arsenyeva et al. (2018)

Come si può osservare, diversi studi sono tuttora in atto al fine di ottenere una procedura per una progettazione ottimale dei PPHE, la cui domanda è in crescita per favorire il risparmio energetico nelle industrie.

Nei prossimi articoli…

Nei prossimi articoli ci avvicineremo a una specifica applicazione di PPHE. Quale preferireste leggere? Recupero di calore, falling film, Riscaldatori d’aria o Raffreddatori d’aria? Fateci sapere!

Milena Vilar França
Dsc degree in Mechanical Engineering
Engineering Dept., Unilab Srl

Fonti

• Piper, A. Olenberg, J.M. Tran, E.Y. Kenig, Determination of the geometric design parameters of pillow-plate heat exchangers, Applied Thermal Engineering (2015), doi: 10.1016/ j.applthermaleng.2015.08.097
• Mitrovic, J., Maletic, B., 2011. Numerical simulation of fluid flow and heat transfer in thermoplates. Eng. Technol. 34, 1439–1448. doi:10.1002/CEAT.201100271
• Shirzada, M., Delavar, M. A., Soheil, S., Ajarostaghi, M., Sedighi, K., Evaluation the effects of geometrical parameters on the performance of pillow plate heat exchanger, Chemical Engineering Research and Design 1 5 0 (2019) 74–83 https://doi.org/10.1016/j.cherd.2019.06.032
• Arsenyeva, J. Tran, M. Piper, E. Kenig, An approach for pillow plate heat exchangers design for single-phase applications, Applied Thermal Engineering (2018), doi:https://doi.org/10.1016/ j.applthermaleng.2018.08.083
• Tran J.M., Piper M., Kenig E.Y., Scholl S. (2018) Pillow-Plate Heat Exchangers: Fundamental Characteristics. In: Bart HJ., Scholl S. (eds) Innovative Heat Exchangers. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-319-71641-1_7