Evaporatore a circolazione esterna è ampiamente utilizzato in settori quali la lavorazione alimentare, i prodotti farmaceutici, i prodotti chimici e la produzione di zucchero per concentrare i liquidi in modo efficiente. Tra i componenti che rendono efficaci questi evaporatori, lo scambiatore di calore gioca un ruolo cruciale. Comprenderne la funzione è essenziale per operatori, ingegneri e chiunque sia coinvolto nella gestione del processo termico.

Comprendere l'evaporatore a circolazione esterna

Un evaporatore a circolazione esterna è un tipo di evaporatore in cui il liquido viene fatto circolare all'esterno del corpo dell'evaporatore mentre l'evaporazione avviene in una camera separata. A differenza degli evaporatori a film cadente, in cui il liquido scorre direttamente all'interno dei tubi dell'evaporatore, l'evaporatore a circolazione esterna pompa il liquido attraverso un circuito di circolazione esterno. Questo design offre una migliore gestione di liquidi viscosi, soluzioni cariche di solidi e prodotti sensibili al calore.

Il sistema è tipicamente costituito dai seguenti componenti:

• Pompa di circolazione: Muove il liquido attraverso il sistema di evaporazione a una portata controllata.
• Camera di evaporazione: Dove il solvente (solitamente acqua) viene evaporato dal liquido.
• Scambiatore di calore: Trasferisce il calore da un mezzo riscaldante al liquido per facilitare l'evaporazione.
• Condensatore: Condensa il vapore generato durante l'evaporazione.
• Sistema di vuoto: Mantiene una bassa pressione per ridurre il punto di ebollizione e proteggere i materiali sensibili al calore.

Tra questi, lo scambiatore di calore è fondamentale per l’efficienza energetica e la stabilità operativa del sistema.

Cos'è uno scambiatore di calore?

Uno scambiatore di calore è un dispositivo progettato per trasferire calore tra due o più fluidi senza mescolarli. Nel contesto di un evaporatore a circolazione esterna, consente al liquido concentrato di assorbire calore da un mezzo di riscaldamento, comunemente vapore, acqua calda o olio termico. L'obiettivo è aumentare la temperatura del liquido fino al punto in cui l'evaporazione può avvenire in modo efficiente mantenendo la qualità del prodotto.

Gli scambiatori di calore possono assumere diverse forme, tra cui:

• Scambiatori di calore a fascio tubiero: Il tipo più comune negli evaporatori industriali. Sono costituiti da tubi all'interno di un guscio cilindrico, dove un fluido scorre attraverso i tubi e l'altro attorno ad essi.
• Scambiatori di calore a piastre: Composto da piastre sottili e ondulate che creano un'ampia superficie per lo scambio termico.
• Scambiatori di calore a batteria: Utilizza tubi a spirale per ottenere il trasferimento di calore in uno spazio compatto.

La scelta del tipo di scambiatore di calore dipende dalle caratteristiche del liquido, dalla viscosità, dalla tendenza all'incrostazione e dalla velocità di trasferimento del calore richiesta.

Come funziona lo scambiatore di calore in un evaporatore a circolazione esterna

In un evaporatore a circolazione esterna, lo scambiatore di calore funge da fonte primaria di input energetico. Il processo può essere descritto passo dopo passo:

1. Circolazione del liquido: La pompa aspira il liquido dal serbatoio dell'evaporatore e lo invia attraverso lo scambiatore di calore.
2. Trasferimento di calore: Il liquido assorbe calore dal mezzo riscaldante attraverso le superfici dello scambiatore.
3. Aumento della temperatura: La temperatura del liquido riscaldato sale appena al di sotto o al punto di ebollizione, a seconda della pressione del sistema.
4. Ritorno all'evaporatore: Il liquido caldo viene restituito alla camera di evaporazione, dove avviene una rapida evaporazione grazie alle condizioni di calore e vuoto fornite.
5. Circolazione continua: Questo processo si ripete, garantendo una temperatura uniforme in tutto il sistema e prevenendo surriscaldamenti o bruciature locali.

Mantenendo un riscaldamento costante, lo scambiatore di calore garantisce che l'evaporazione avvenga in modo efficiente e che il prodotto rimanga stabile in termini di qualità e composizione.

Il ruolo dello scambiatore di calore: funzioni chiave

1. Trasferimento di energia

Il ruolo fondamentale dello scambiatore di calore è trasferire energia dal mezzo riscaldante al liquido. Nelle operazioni industriali, l’efficienza energetica è fondamentale. Uno scambiatore di calore ben progettato garantisce il massimo trasferimento di calore con una minima perdita di energia. Ciò ha un impatto diretto sui costi operativi e sulla sostenibilità.

2. Controllo della temperatura

Il controllo della temperatura è fondamentale, soprattutto quando si ha a che fare con materiali sensibili al calore come succhi di frutta, prodotti lattiero-caseari o soluzioni farmaceutiche. Lo scambiatore di calore consente un controllo preciso della temperatura del liquido, garantendo che raggiunga il punto di evaporazione desiderato senza superare limiti che potrebbero degradare il prodotto.

3. Prevenire il surriscaldamento locale

In qualsiasi sistema di evaporazione, il riscaldamento non uniforme può causare “punti caldi” in cui il liquido può bruciare, caramellare o denaturare. Facendo circolare il liquido attraverso uno scambiatore di calore, il calore viene applicato in modo più uniforme, prevenendo il surriscaldamento localizzato e mantenendo l'integrità del prodotto.

4. Ridurre le incrostazioni

L'incrostazione è l'accumulo di depositi indesiderati sulle superfici di trasferimento del calore. Negli evaporatori a circolazione esterna, il liquido circolante si muove continuamente attraverso lo scambiatore di calore a velocità controllata. Questo movimento riduce la probabilità di depositi sulle superfici di trasferimento del calore e migliora le prestazioni a lungo termine.

5. Miglioramento dell'efficienza dell'evaporazione

Un'evaporazione efficiente dipende da una fornitura costante di calore. Lo scambiatore di calore garantisce che il liquido che entra nella camera dell'evaporatore sia già riscaldato, accelerando il processo di evaporazione. Ciò non solo aumenta la produttività ma migliora anche la qualità del prodotto concentrato.

6. Compatibilità con vari liquidi

Gli evaporatori a circolazione esterna spesso trattano liquidi viscosi o contenenti solidi. Lo scambiatore di calore consente di riscaldare delicatamente questi liquidi senza eccessive sollecitazioni di taglio o agitazione, preservandone la struttura ed evitando intasamenti o danni alle apparecchiature.

Tipi di scambiatori di calore utilizzati negli evaporatori a circolazione esterna

Scambiatori di calore a fascio tubiero

• Vantaggi: Durevole, adatto a temperature e pressioni elevate, facile da pulire per alcuni modelli.
• Applicazioni: Comune nelle industrie dello zucchero, chimiche e farmaceutiche.

Scambiatori di calore a piastre

• Vantaggi: Compatto, elevata efficienza di trasferimento del calore, facile da smontare per la pulizia.
• Applicazioni: Adatto per liquidi sensibili al calore e prodotti con bassa tendenza allo sporcamento.

Scambiatori di calore a batteria

• Vantaggi: Compatto e dal design semplice, può essere inserito in vasche o corpi evaporatori.
• Applicazioni: Spesso utilizzato in operazioni su piccola scala o impianti pilota.

La scelta dello scambiatore di calore influisce sulle prestazioni complessive, sul programma di manutenzione e sul consumo energetico dell'evaporatore.

Fattori che influenzano le prestazioni dello scambiatore di calore

1. Proprietà del liquido: La viscosità, il contenuto di solidi e la sensibilità termica influenzano l'efficienza del trasferimento di calore.
2. Portata: Una corretta circolazione garantisce un riscaldamento uniforme e previene le incrostazioni.
3. Differenziale di temperatura: Una maggiore differenza di temperatura tra il mezzo riscaldante e il liquido aumenta il trasferimento di calore ma può rischiare il degrado del prodotto.
4. Superficie: Aree superficiali più grandi facilitano un migliore trasferimento di calore.
5. Selezione del materiale: I materiali resistenti alla corrosione come l'acciaio inossidabile vengono spesso utilizzati per prolungare la durata della vita.

Considerazioni operative e sulla manutenzione

• Pulizia regolare: Per evitare incrostazioni e incrostazioni, gli scambiatori di calore devono essere puliti secondo le linee guida del produttore.
• Monitoraggio della temperatura e della pressione: I sensori aiutano a rilevare inefficienze o potenziali surriscaldamenti.
• Ispezione per perdite: Assicura che il mezzo riscaldante non contamini il prodotto.
• Gestione pompa e flusso: Una circolazione adeguata garantisce il funzionamento efficace dello scambiatore di calore.

Vantaggi di uno scambiatore di calore ben progettato in un evaporatore a circolazione esterna

• Efficienza energetica: Riduce il consumo energetico ottimizzando il trasferimento di calore.
• Qualità del prodotto migliorata: Previene il surriscaldamento e preserva le proprietà nutrizionali o chimiche.
• Tempi di inattività ridotti: Riduce la frequenza delle incrostazioni e della manutenzione.
• Versatilità: Può ospitare una varietà di liquidi e applicazioni industriali.

Conclusione

Lo scambiatore di calore è un componente indispensabile di un evaporatore a circolazione esterna. Il suo ruolo va ben oltre la semplice fornitura di calore: garantisce efficienza energetica, qualità del prodotto e stabilità operativa. Trasferendo il calore in modo efficiente, controllando la temperatura, prevenendo le incrostazioni e migliorando i tassi di evaporazione, lo scambiatore di calore consente agli evaporatori a circolazione esterna di gestire un'ampia gamma di liquidi, dagli sciroppi viscosi alle soluzioni farmaceutiche sensibili al calore.

Comprendere l'importanza dello scambiatore di calore aiuta gli operatori a prendere decisioni informate sulla selezione, il funzionamento e la manutenzione delle apparecchiature. Per le industrie che cercano processi di concentrazione affidabili ed efficienti, l'attenzione alla progettazione e alle prestazioni dello scambiatore di calore è fondamentale per ottenere risultati costanti e di alta qualità.