Scambio termico con piastre Pillow Plate

Chiunque tenga in mano per la prima volta una piastra Pillow Plate ne capisce immediatamente il nome: due lamiere metalliche, saldate insieme con un refrigerante o un fluido termovettore che scorre tra di esse, si incurvano verso l’esterno formando una struttura tridimensionale simile a un cuscino. Quello che sembra un semplice principio di progettazione è in realtà il risultato di decenni di lavoro di sviluppo su un elemento di scambio termico che oggi sostituisce i sistemi a fascio tubiero e a serpentina nell’industria alimentare, farmaceutica, chimica e nella refrigerazione industriale, ovunque siano importanti efficienza, facilità di pulizia, flessibilità e durata.

Questo articolo spiega come sono costruite le piastre Pillow Plate, come vengono progettate, quali configurazioni si adattano a quali applicazioni e in quali ambiti offrono vantaggi concreti rispetto alle tecnologie convenzionali degli scambiatori di calore nella pratica industriale. La pagina dei prodotti di HTT AG offre una panoramica tecnica. Questo articolo illustra il contesto: la fisica, i principi di progettazione e una solida base decisionale per progettisti e operatori di impianto.

Le piastre Pillow Plate sono costituite da due sottili lamiere metalliche saldate insieme secondo uno schema definito. Dopo la saldatura, lo spazio tra le due lamiere viene pressurizzato e queste si rigonfiano verso l’esterno tra i punti di saldatura. In questo modo si crea una rete di canali attraverso cui scorre il fluido termovettore, insieme a una superficie esterna strutturata tridimensionalmente che agisce sul lato del prodotto o del processo.

La differenza di progettazione rispetto ad altri scambiatori di calore si riduce a tre caratteristiche:

Flessibilità geometrica. Le piastre Pillow Plate non sono prodotti standard con dimensioni fisse. Lunghezza, larghezza, spessore delle pareti, schema di saldatura e percorso dei canali sono tutti progettati su misura per l’applicazione specifica. HTT AG utilizza sistemi di saldatura laser a controllo numerico (CNC) che traducono qualsiasi geometria dal disegno progettuale direttamente in produzione. Ciò consente di realizzare piastre Pillow Plate sotto forma di rettangoli, segmenti, cilindri, forme coniche o geometrie personalizzate per recipienti non standard.

Impiego come elemento strutturale. Le piastre Pillow Plate possono essere utilizzate non solo come scambiatori di calore sospesi, ma anche come elementi strutturali e come parete stessa del serbatoio. Una piastra Pillow Plate con goffratura singola può fungere da elemento strutturale e da camicia del serbatoio, svolgendo contemporaneamente le funzioni di scambiatore di calore, elemento strutturale e parete del serbatoio in un unico elemento. Ciò elimina la necessità di uno scambiatore di calore separato e riduce significativamente lo spazio richiesto.

Comportamento con fluidi difficili. La struttura aperta, simile a un canale, sul lato di processo non presenta spazi ristretti in cui possano accumularsi depositi. I fluidi contenenti particelle, i prodotti altamente viscosi e i fluidi contenenti solidi possono essere raffreddati o riscaldati senza che l’intasamento o un’elevata caduta di pressione costituiscano un limite. Ciò distingue le piastre Pillow Plate dagli scambiatori di calore a piastre con i loro canali stretti e profilati.

La distinzione fondamentale tra le piastre Pillow Plate è quella tra le versioni a singola goffratura e a doppia goffratura. Entrambe funzionano secondo lo stesso principio, ma sono progettate per applicazioni diverse.

Le piastre Pillow Plate a singola goffratura

Nella versione a singola goffratura, una piastra è piatta e l’altra è goffrata. Il lato piatto poggia contro la parete del serbatoio e funge da elemento strutturale o da camicia del serbatoio. Il fluido termovettore scorre attraverso i canali a forma di cuscino tra la parete piatta e la piastra goffrata.

Applicazioni tipiche:

• Elemento strutturale: le piastre a singolo goffraggio, sia di piccole che di grandi dimensioni, vengono montate come elementi strutturali in impianti di riscaldamento o raffreddamento. Riscaldano o raffreddano in modo efficiente una specifica superficie.
• Fasciami Pillow Plate / Gli scambiatori di calore Pillow-Plates: piastre a cuscino con goffratura singola montate come camicia esterna attorno a serbatoi cilindrici o rettangolari. La caduta di pressione sul lato della camicia è bassa grazie ai canali paralleli e piatti, il che significa che è possibile far circolare fluidi su ampie superfici con pompe a bassa potenza.
• Integrazione nel serbatoio: le piastre Pillow Plate sono integrate direttamente nella parete del serbatoio. Il serbatoio e lo scambiatore di calore formano un’unica unità, eliminando i costi di investimento e di installazione di uno scambiatore di calore separato.
• Raffreddamento delle pareti in celle frigorifere e magazzini: piastre a singola goffratura di ampia superficie vengono installate come pannelli a parete in magazzini frigoriferi e celle frigorifere. Raffreddano lo spazio direttamente attraverso la superficie della parete, senza refrigeratori d’aria e senza il movimento d’aria che ne deriva.

Le piastre Pillow Plate a doppia goffratura

Nella versione a doppia goffratura, entrambe le piastre sono goffrate in modo simmetrico l’una rispetto all’altra. Ciò produce una sezione trasversale del canale significativamente più ampia, una maggiore turbolenza nel fluido di scambio termico e, di conseguenza, coefficienti di trasferimento termico più elevati.

Applicazioni tipiche:

• Elemento strutturale: le piastre a doppia goffratura, sia di piccole che di grandi dimensioni, vengono inserite come elementi strutturali in impianti di riscaldamento o raffreddamento. Riscaldano o raffreddano in modo efficiente una superficie specifica.
• Scambiatori di calore autonomi: le piastre a doppia goffratura vengono installate come scambiatori di calore sospesi all’interno di serbatoi o recipienti, sia impilate a distanze definite sia come pannelli singoli.
• Raffreddamento ad elevate densità di flusso termico: ovunque sia necessario rimuovere una grande quantità di calore da una superficie ridotta, la versione a doppia goffratura garantisce valori k più elevati grazie alla maggiore turbolenza.
• Applicazioni gas-liquido: la sezione trasversale più ampia del canale è necessaria quando si verifica un’evaporazione parziale sul lato del fluido termovettore (ad esempio, con l’NH₃ utilizzato direttamente come refrigerante).

Il coefficiente di trasferimento termico di uno scambiatore di calore dipende in modo determinante dalla velocità di flusso e dalla turbolenza del fluido sulla superficie di scambio. Nei tubi lisci o nei canali piatti, vicino alla parete si forma uno strato limite laminare che ostacola il trasferimento di calore.

La superficie tridimensionale goffrata delle piastre Pillow Plate interrompe continuamente questo strato limite. Il fluido viene ripetutamente deviato e si formano vortici anche a basse velocità di flusso e con fluidi altamente viscosi. Ecco perché le piastre Pillow Plate ottengono un trasferimento di calore turbolento anche a bassi numeri di Reynolds, in regimi di flusso in cui gli scambiatori di calore convenzionali rimangono laminari.

In termini concreti: il coefficiente di trasferimento termico complessivo (valore k) di una piastra Pillow Plate a doppia goffratura nel funzionamento liquido-liquido è tipicamente superiore a quello di sistemi a serpentina comparabili di dimensioni simili. A parità di valore k, la superficie di trasferimento richiesta è minore, consentendo di ottenere un’unità più compatta.

HTT AG calcola i valori k, le perdite di carico e le superfici di scambio in base ai parametri effettivi del processo: portate massiche, temperature di ingresso e di uscita su entrambi i lati, nonché viscosità, conducibilità termiche e densità dei fluidi coinvolti. Il risultato è un progetto su misura per il processo, non un progetto standard in cui si sommano margini di sicurezza su margini di sicurezza.

Il materiale standard per le piastre Pillow Plate nei settori alimentare e farmaceutico è l’acciaio inossidabile 1.4301 (AISI 304) o 1.4404 (AISI 316L). Quest’ultimo offre una maggiore resistenza alla corrosione da cloruri grazie al suo contenuto di molibdeno, aspetto rilevante quando si utilizza l’acqua di mare come fluido di raffreddamento o quando si utilizzano detergenti contenenti cloruri.

Per fluidi più aggressivi o requisiti di purezza più elevati (come nella produzione farmaceutica), si utilizzano leghe speciali. L’acciaio al carbonio viene impiegato laddove non si applicano i requisiti di idoneità alimentare e dove la maggiore resistenza o il minor costo del materiale costituiscono il fattore determinante.

Per quanto riguarda la pressione nominale: nel design di HTT AG, le piastre Pillow Plate resistono a pressioni fino a 50 bar sul lato del fluido termovettore, e anche superiori in modelli speciali. Sul lato di processo (l’esterno della camicia), il carico di pressione è in genere molto più basso. Ciò rende le piastre Pillow Plate adatte ad applicazioni che altrimenti richiederebbero una costruzione su misura a pressione nominale in uno scambiatore di calore convenzionale.

La struttura interamente saldata in acciaio inossidabile non presenta guarnizioni sul lato a contatto con il prodotto. Si tratta di un vantaggio significativo in termini di igiene: le guarnizioni sono una potenziale fonte di contaminazione e devono essere sostituite regolarmente. Con le piastre Pillow Plate, questo onere di manutenzione scompare completamente.

L’industria alimentare rappresenta oggi il principale campo di applicazione delle piastre Pillow Plate. Le ragioni risiedono nella combinazione di design igienico, facilità di pulizia, flessibilità geometrica e capacità di mantenere in modo affidabile temperature vicine a 0 °C.

Raffreddamento del latte e lavorazione dei prodotti lattiero-caseari

Nei serbatoi del latte, le piastre Pillow Plate a doppia goffratura vengono installate direttamente attorno al serbatoio come Fasciami Pillow Plate. Il glicole o un refrigerante diretto scorre attraverso la camicia e mantiene il latte alla temperatura di raffreddamento. La bassa caduta di pressione nella camicia consente l’utilizzo di camicie di ampia superficie con pompe di circolazione di piccole dimensioni. Con l’espansione diretta, è possibile utilizzare l’ammoniaca come refrigerante, poiché la struttura interamente saldata esclude perdite sul lato del prodotto.

Raffreddamento dell’impasto nella produzione di prodotti da forno

L'impastatura genera calore da attrito che aumenta la temperatura dell'impasto e può innescare una fermentazione incontrollata del lievito. Gli scambiatori di calore Le piastre Pillow Plate raffreddano l'acqua di processo a temperature prossime a 0 °C, che viene poi convogliata nell'impastatrice come mezzo di raffreddamento. È inoltre possibile integrare direttamente nella vasca di impasto stessa piastre Pillow Plate con goffratura singola, sagomate in base al recipiente.

Lavorazione di pesce e frutti di mare

Gli impianti di lavorazione del pesce raffreddano l’acqua di processo, il materiale sfuso e i serbatoi a temperature comprese tra 0 e 2 °C. Le piastre Pillow Plate, utilizzate come elementi strutturali o camicie dei serbatoi nei tunnel di lavorazione o nei serbatoi, mantengono queste temperature con precisione pur rimanendo facili da pulire. La superficie aperta e liscia in acciaio inossidabile soddisfa i requisiti di progettazione igienica applicabili alle superfici a contatto con gli alimenti nell’industria ittica.

Industria delle bevande e birrificazione

I serbatoi di fermentazione e stoccaggio nei birrifici vengono raffreddati e la loro temperatura viene controllata tramite camicie a piastre Pillow Plate. Un controllo preciso della temperatura è fondamentale per la qualità del processo di fermentazione. Poiché i birrifici spesso gestiscono diverse centinaia di serbatoi, la bassa caduta di pressione della camicia a piastre Pillow Plate ha un effetto diretto sui costi di pompaggio dell’intero impianto.

Industria chimica e farmaceutica

Nell’industria chimica, le piastre Pillow Plate dissipano il calore di reazione dai processi esotermici, condensano i distillati o portano i prodotti a una temperatura definita dopo la sintesi. Continuano a funzionare in modo affidabile anche in presenza di fluidi contaminati, vapori o flussi carichi di particolato, senza rischio di intasamento. Nella produzione farmaceutica, i requisiti di pulizia sono particolarmente rigorosi: la struttura interamente saldata e priva di guarnizioni, realizzata in acciaio inossidabile di alta qualità, è progettata per il CIP (Cleaning in Place) e il SIP (Sterilization in Place).

Un’applicazione ancora sottovalutata nella pratica progettuale: l’utilizzo di scambiatori a piastre Pillow Plate per recuperare calore da flussi contaminati. Le acque reflue, il calore di scarto di processo e i flussi di condensa contengono energia recuperabile che non può essere catturata in modo efficiente con gli scambiatori di calore convenzionali a causa del rischio di intasamento.

Gli scambiatori di calore a piastre Pillow Plate, con sezioni trasversali prive di ostruzioni all’esterno, sono in grado di gestire questi flussi, trasferendo il calore ai fluidi di riscaldamento e risparmiando così energia primaria nel processo. Nell’industria della cellulosa e della carta, nella lavorazione della biomassa e nelle grandi lavanderie industriali sono già in uso sistemi HTT AG che recuperano calore dalle acque reflue con temperature superiori a 30 °C, riducendo in modo dimostrabile i costi di riscaldamento.

In molti processi produttivi, il carico termico subisce notevoli fluttuazioni nel corso della giornata operativa. Le operazioni a lotti nell’industria chimica, i volumi di riempimento variabili nella produzione alimentare o i picchi stagionali nell’industria delle bevande creano situazioni in cui uno scambiatore di calore deve erogare una potenza significativamente superiore al proprio punto di progetto nominale per alcune ore alla volta.

I sistemi a piastre Pillow Plate possono essere progettati per fungere da tampone contro queste fluttuazioni. Le piastre Pillow Plate, utilizzate come elementi sospesi o all’interno di serbatoi, possono sfruttare la massa termica del serbatoio stesso come accumulo termico: la massa del prodotto nel processo produttivo o nel serbatoio viene mantenuta a una temperatura target, e le piastre Pillow Plate forniscono una capacità maggiore durante i picchi di domanda rispetto a quanto previsto dal progetto in condizioni di funzionamento continuo.

Questa caratteristica rende le piastre Pillow Plate particolarmente interessanti in combinazione con serbatoi di accumulo di ghiaccio o refrigeratori anch’essi progettati per un funzionamento con accumulo termico. Il serbatoio di accumulo del ghiaccio fornisce acqua a una temperatura compresa tra 0,5 °C e 1 °C su richiesta; le piastre Pillow Plate trasferiscono questo raffreddamento in modo preciso al fluido di processo, mentre il refrigeratore funziona a carico parziale costante ed efficiente anziché a carico pieno con fluttuazioni. Ciò riduce il consumo energetico, protegge l’impianto di refrigerazione e migliora la controllabilità dell’intero sistema.

Nel progettare questo tipo di funzionamento combinato, HTT AG tiene conto sia della potenza istantanea delle piastre Pillow Plate sia della capacità di accumulo del serbatoio. Condividete con noi i vostri profili di carico e i dati di produzione e vi forniremo un progetto che ottimizza il funzionamento congiunto di entrambi i componenti.

Le piastre Pillow Plate non si scelgono da un catalogo, ma vengono calcolate. I dati di input necessari per una progettazione affidabile sono:

Lato di processo:

• Fluido (liquido, gas, vapore, sospensione)
• Portata volumetrica o massica
• Temperatura di ingresso e temperatura di uscita richiesta
• Viscosità, conducibilità termica, densità, capacità termica specifica
• Caduta di pressione ammissibile

Lato del fluido termovettore:

• Fluido (glicole, acqua, NH₃, CO₂, vapore)
• Portata disponibile
• Temperatura di ingresso
• Pressione di esercizio ammessa

Vincoli strutturali:

• Geometria del serbatoio (diametro, altezza, forma)
• Area di montaggio disponibile
• Condizioni di installazione (camicia del serbatoio, scambiatore a inserto, a supporto libero)
• Requisiti dei materiali (tipo di acciaio inossidabile, spessore delle pareti)

Sulla base di questi parametri, HTT AG calcola il valore k, la superficie di scambio richiesta e la caduta di pressione su entrambi i lati, definendo così la geometria dei canali delle piastre Pillow Plate. Il risultato è un disegno e una scheda tecnica che documentano tutti i parametri di progettazione, che fungono poi da base per l’ordine.

Vi diremo se le piastre Pillow Plate sono la scelta giusta per il vostro processo e, in tal caso, con quale geometria e quale materiale. Comunicateci i vostri parametri di processo.

La scelta tra le piastre Pillow Plate e le tecnologie convenzionali degli scambiatori di calore si riduce a tre domande fondamentali:

1. Quanto è difficile il fluido?

Gli scambiatori di calore a piastre e i fasci tubieri si intasano con fluidi carichi di particolato o altamente viscosi. Le piastre Pillow Plate no. Se il fluido sul lato di processo contiene solidi, ha un’elevata viscosità o tende a intasarsi, la piastra Pillow Plate è la scelta più affidabile.

2. Quali sono i requisiti di pulizia?

Nei settori alimentare e farmaceutico, ogni superficie di trasferimento termico deve essere compatibile con il CIP. I fasci tubieri presentano tubi stretti difficili da pulire. Le piastre Pillow Plate hanno superfici esterne lisce e accessibili e una struttura priva di guarnizioni sul lato di processo.

3. Lo scambiatore di calore deve integrarsi in un progetto di serbatoio esistente?

Le piastre Pillow Plate possono essere implementate come camicia di un serbatoio, pannello da incasso a soffitto, sostituto di una serpentina o unità autonoma. I fasci tubieri sono unità autonome che richiedono spazio a pavimento e collegamenti tubolari. Ovunque il serbatoio e lo scambiatore di calore debbano formare un’unica unità, le piastre Pillow Plate rappresentano l’unica alternativa flessibile.