I sistemi di raffreddamento contribuiscono a stabilizzare le temperature in diversi settori, tra cui la produzione industriale, i data center, l'industria automobilistica e i sistemi HVAC (riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria). Se le temperature sono troppo elevate, possono danneggiare i sistemi, ridurre l'efficienza operativa e creare rischi per la sicurezza. I sistemi di raffreddamento utilizzano scambiatori di calore, che sono le parti principali del sistema, per trasferire il calore indesiderato da un mezzo a un altro, consentendo così al sistema di raggiungere i propri obiettivi di raffreddamento. LIATEM, un professionista delle soluzioni di gestione termica, progetta e produce scambiatori di calore di alta qualità adatti a vari sistemi di raffreddamento. Per i responsabili delle strutture, gli ingegneri e le aziende, conoscere la funzione dello scambiatore di calore nel sistema di raffreddamento può migliorare l'efficienza del raffreddamento, ridurre il consumo energetico del sistema e prolungare la durata delle apparecchiature. Questo articolo illustra i principali ruoli di uno scambiatore di calore all'interno dei sistemi di raffreddamento e il suo valore pratico in diverse aree applicative.
Raggiungere un trasferimento termico efficiente tra due o più corpi con temperature diverse è la funzione principale di uno scambiatore di calore all'interno dei sistemi di raffreddamento.
Ogni sistema di raffreddamento ha un elemento che necessita di essere raffreddato e un elemento che assorbe il calore. Il liquido refrigerante per dispositivi generatori di calore, l'olio motore e l'aria calda interna sono i "mezzi caldi" che necessitano di raffreddamento, mentre l'acqua di raffreddamento, il refrigerante e l'aria fredda esterna sono i "mezzi freddi" che assorbono il calore. Uno scambiatore di calore utilizza piastre metalliche, tubi o alette come superfici di contatto dedicate, consentendo ai mezzi caldi e freddi di trasferire calore senza mescolarsi direttamente. Si consideri il sistema di raffreddamento per un centro dati. In questo caso, lo scambiatore di calore trasferisce il calore dal liquido di raffreddamento del server all'acqua di raffreddamento in circolazione. Il liquido ritorna al server per assorbire calore, e il ciclo di raffreddamento a liquido continua costantemente. Lo scambiatore di calore LIATEM adotta progettazioni strutturali ottimali, incluse alette migliorate per il trasferimento termico e canali di flusso turbolento, che ampliano l'intervallo di trasferimento del calore. Queste soluzioni riducono sostanzialmente la superficie necessaria per il trasferimento termico, consentendo al sistema di raffreddamento di abbassare rapidamente la temperatura del mezzo caldo fino al range desiderato. La capacità dello scambiatore di calore di trasferire calore in modo efficiente lo rende il componente più importante nei sistemi di raffreddamento.
In determinati sistemi, ad esempio, il refrigerante in un sistema HVAC è tossico e infiammabile, e il sistema di raffreddamento automobilistico contiene liquido antigelo con inibitori anticorrosione; il mezzo caldo e quello freddo devono essere separati.
Uno scambiatore di calore separa diversi fluidi mentre trasferisce il calore, mantenendo la sicurezza del sistema e la purezza dei fluidi. La progettazione di scambiatori di calore come fasci tubieri sigillati e interstizi a piastre inserisce una barriera fisica tra i flussi caldi e freddi. Questi scorrono attraverso percorsi separati e solo il calore viene scambiato attraverso le pareti, senza alcun mescolamento. La separazione evita contaminazioni incrociate. Ad esempio, in un impianto chimico, un sistema di refrigerante freddo nello scambiatore di calore impedisce che il refrigerante corrosivo si mescoli all'acqua pubblica, evitando corrosione e inquinamento. LIATEM utilizza materiali altamente sigillati per evitare il mescolamento dei fluidi. Materiali come guarnizioni EPDM e giunti tubolari saldati mantengono la separazione, anche ad alte temperature e pressioni. La separazione dei fluidi è necessaria per garantire l'affidabilità e la sicurezza dei sistemi di raffreddamento.
Un sistema di raffreddamento richiede uno scambiatore di calore per mantenere l'efficienza energetica del sistema, poiché ottimizza il trasferimento di calore. Nel raffreddamento a liquido, viene utilizzata una pompa per far circolare l'acqua e un ventilatore per far circolare l'aria, entrambi fonte di un elevato consumo energetico.
L'uso della tecnologia termica avanzata riduce al minimo il consumo energetico massimizzando il trasferimento di calore. Gli scambiatori di calore a piastre LIATEM offrono coefficienti di scambio termico del 30% al 50% migliori. Nelle stesse applicazioni di raffreddamento, gli scambiatori di calore ad alta efficienza utilizzano portate inferiori di fluidi freddi, come acqua, refrigeranti e persino ghiaccio. Questo minor utilizzo di mezzi refrigeranti si traduce in un consumo energetico inferiore delle pompe dell'acqua, dei compressori dei fabbricatori di ghiaccio e dei compressori del refrigerante. Altri scambiatori di calore e scambiatori di calore rigenerativi raffreddano anche recuperando calore. Nel sistema di raffreddamento industriale, gli scambiatori di calore hanno raffreddato e recuperato calore dall'aria di scarico interna, preriscaldando l'aria fresca per ridurre il carico di condizionamento. Questo trasferimento del calore del sistema di raffreddamento migliora l'efficienza del sistema, riduce i costi energetici e consente di raggiungere gli obiettivi di risparmio energetico previsti per conformarsi agli sviluppi a basso contenuto di carbonio.
La differenza e l'unicità di ogni scenario e settore richiede requisiti diversi per il sistema di raffreddamento. Questi possono includere diverse temperature di refrigerazione (tra 20 gradi sotto zero e 300 gradi), tipi di mezzi (liquido, gas e solido) e altre condizioni climatiche (alta umidità e alta corrosione) in cui gli scambiatori di calore verranno utilizzati.
LIATEM offre diversi scambiatori di calore per soddisfare molteplici esigenze di raffreddamento. Gli scambiatori a fascio tubiero sono adatti per sistemi di raffreddamento ad alta temperatura e pressione, come il raffreddamento del vapore in una centrale elettrica, mentre gli scambiatori a piastre sono indicati per il raffreddamento liquido-liquido a bassa temperatura (ad esempio nei processi dell'industria alimentare e delle bevande). Gli scambiatori a tubi alettati sono progettati per lo scambio termico gas-liquido, come nei radiatori automobilistici. Per situazioni corrosive, come nei sistemi di raffreddamento marino, gli scambiatori LIATEM sono realizzati con materiali resistenti alla corrosione e più duraturi, come leghe di titanio e Hastelloy. La versatilità di LIATEM negli scambiatori di calore fa sì che vengano utilizzati in quasi tutti i sistemi di raffreddamento. L'ambito d'applicazione va dai condizionatori d'aria domestici di piccole dimensioni fino ai grandi torri di raffreddamento industriali. Ciò rende gli scambiatori di calore componenti versatili per un'efficienza maggiore nella gestione termica.
Uno scambiatore di calore stabilizza il funzionamento dei sistemi di raffreddamento per proteggere l'equipaggiamento dai danni. Cambiamenti improvvisi nel carico termico, come un aumento della generazione di calore nei server nei centri dati o variazioni della velocità del motore nei sistemi di raffreddamento automobilistici, causano instabilità nei sistemi di raffreddamento. Ciò provoca fluttuazioni di temperatura e danni all'equipaggiamento. Uno scambiatore di calore stabilizza i sistemi di raffreddamento regolando la capacità di trasferimento di calore del sistema in risposta alle variazioni del carico termico.
Diversi modelli di scambiatori di calore, come lo scambiatore a piastre regolabile di LIATEM, sono dotati di valvole di controllo del flusso o di ventilatori a velocità variabile. Quando i carichi termici aumentano, lo scambiatore aumenta la portata del liquido freddo o incrementa l'apporto d'aria allo scambiatore per favorire il trasferimento di calore. Al contrario, se i carichi termici diminuiscono, la portata del liquido freddo viene ridotta per evitare un eccessivo raffreddamento e risparmiare energia. Inoltre, l'effetto tampone dello scambiatore impedisce al liquido freddo di raggiungere direttamente le parti generatrici di calore dell'apparecchiatura, riducendo così l'impatto negativo di brusche variazioni di temperatura. Ad esempio, nei sistemi di raffreddamento delle batterie dei veicoli a nuova energia, gli scambiatori di calore progettati in modo contemporaneo regolano lentamente la temperatura della batteria per evitare rapide variazioni avverse della temperatura delle celle. Questa funzione di stabilizzazione dello scambiatore protegge le apparecchiature generatrici di calore; se i sistemi di raffreddamento mantengono operativamente una temperatura entro un intervallo sicuro, la durata dell'equipaggiamento è notevolmente aumentata.
Con l'aumentare dell'importanza della protezione dell'ambiente, cresce anche la richiesta di ridurre l'impatto ambientale dei sistemi di raffreddamento. Gli scambiatori di calore contribuiscono al raffreddamento sostenibile in molti modi.
Innanzitutto, uno scambiatore di calore ad alta efficienza riduce il consumo energetico, diminuendo così le emissioni di carbonio derivanti dalla produzione di energia. Ad esempio, uno scambiatore di calore ad alta efficienza LIATEM aiuta un centro dati a ridurre ogni anno le proprie emissioni di carbonio del 15-25%, rispetto ai vecchi sistemi tradizionali. In secondo luogo, gli scambiatori di calore evaporativi possono utilizzare aria o acqua come mezzo refrigerante, evitando così l'impiego di refrigeranti dannosi per lo strato di ozono, come i CFC. In terzo luogo, la funzione di recupero del calore dello scambiatore consente di riutilizzare il calore residuo per processi di riscaldamento, riducendo ulteriormente la necessità di altre fonti energetiche e attenuando al contempo il calore di scarto che altrimenti verrebbe rilasciato nell'atmosfera. Gli scambiatori di calore LIATEM utilizzano inoltre materiali produttivi ecologici, come rivestimenti privi di piombo e altri metalli riciclabili, contribuendo alla protezione ambientale. Riducendo i danni all'ambiente, uno scambiatore di calore conferisce ai sistemi di raffreddamento le molto richieste capacità operative verdi, soddisfacendo nel contempo le normative ecocompatibili di numerosi governi e settori industriali.
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