1. Introduzione

L'energia idroelettrica è una fonte di energia significativa e rinnovabile che svolge un ruolo cruciale nel mix energetico globale. Le centrali idroelettriche convertono l'energia dell'acqua corrente o cadente in energia elettrica. Durante il funzionamento delle centrali idroelettriche, vari componenti generano calore e un'efficiente gestione del calore è essenziale per garantire un funzionamento stabile e affidabile. Gli scambiatori di calore a piastre sono diventati una scelta popolare per le applicazioni di trasferimento di calore nelle centrali idroelettriche grazie alle loro caratteristiche uniche.

2. Principio di funzionamento degli scambiatori di calore a piastre

Uno scambiatore di calore a piastre è costituito da una serie di sottili piastre metalliche corrugate che sono impilate insieme. Queste piastre sono separate da guarnizioni per creare canali alternati per i fluidi caldi e freddi. Quando il fluido caldo (come acqua calda o olio) e il fluido freddo (di solito acqua di raffreddamento) scorrono attraverso i rispettivi canali, il calore viene trasferito dal fluido caldo al fluido freddo attraverso le sottili pareti delle piastre. Il design ondulato delle piastre aumenta la superficie disponibile per il trasferimento di calore e promuove la turbolenza nel flusso del fluido, migliorando l'efficienza del trasferimento di calore.

Matematicamente, la velocità di trasferimento del calore (Q) in uno scambiatore di calore a piastre può essere descritta dalla formula:

Q=U*A*δTlm

dove (U) è il coefficiente di scambio termico globale, (A) è l'area di scambio termico e δTlm  è la differenza di temperatura media logaritmica tra i fluidi caldi e freddi. La struttura unica dello scambiatore di calore a piastre contribuisce a un valore relativamente elevato di (U), consentendo un efficiente trasferimento di calore.

3. Applicazioni degli scambiatori di calore a piastre nelle centrali idroelettriche

3.1 Raffreddamento dell'olio lubrificante della turbina

La turbina in una centrale idroelettrica è un componente critico. L'olio lubrificante utilizzato per lubrificare i cuscinetti della turbina e altre parti in movimento può surriscaldarsi durante il funzionamento a causa dell'attrito. Le alte temperature possono degradare le proprietà lubrificanti dell'olio e causare danni ai componenti della turbina. Gli scambiatori di calore a piastre vengono utilizzati per raffreddare l'olio lubrificante. L'olio lubrificante caldo scorre attraverso un lato dello scambiatore di calore a piastre, mentre l'acqua di raffreddamento da una fonte adeguata (come un fiume, un lago o una torre di raffreddamento) scorre attraverso l'altro lato. Il calore viene trasferito dall'olio caldo all'acqua di raffreddamento, riducendo la temperatura dell'olio lubrificante e garantendone il corretto funzionamento.

Ad esempio, in una centrale idroelettrica su larga scala con una turbina ad alta potenza, può essere installato uno scambiatore di calore a piastre con una grande area di scambio termico. La portata dell'acqua di raffreddamento può essere regolata in base alla temperatura dell'olio lubrificante per mantenere la temperatura dell'olio entro l'intervallo ottimale, in genere intorno a 40 - 50 °C. Questo aiuta a prolungare la durata della turbina e a migliorare l'efficienza complessiva del processo di generazione di energia.

3.2 Raffreddamento del generatore

I generatori nelle centrali idroelettriche producono una quantità significativa di calore durante il funzionamento. Per evitare il surriscaldamento e garantire il funzionamento stabile del generatore, è necessario un raffreddamento efficace. Gli scambiatori di calore a piastre possono essere utilizzati nei sistemi di raffreddamento dei generatori. In alcuni casi, vengono impiegati generatori raffreddati ad acqua, in cui il refrigerante caldo (di solito acqua deionizzata) che ha assorbito il calore dai componenti del generatore scorre attraverso lo scambiatore di calore a piastre. L'acqua fredda da una fonte esterna (come un circuito di acqua di raffreddamento) scambia calore con il refrigerante caldo, raffreddandolo in modo che possa essere ricircolato al generatore per un ulteriore assorbimento di calore.

Oltre ai generatori raffreddati ad acqua, ci sono anche generatori raffreddati a idrogeno. Sebbene l'idrogeno abbia eccellenti proprietà di trasferimento del calore, gli scambiatori di calore a piastre possono ancora essere utilizzati nel sistema di raffreddamento a idrogeno. Ad esempio, per raffreddare il gas idrogeno dopo che ha assorbito il calore dal generatore, è possibile utilizzare uno scambiatore di calore a piastre. Il fluido freddo (come acqua o un refrigerante) nello scambiatore di calore raffredda il gas idrogeno caldo, mantenendo la temperatura corretta dell'idrogeno e garantendo il funzionamento efficiente del generatore.

3.3 Raffreddamento dell'acqua di tenuta

Nelle turbine idroelettriche, l'acqua di tenuta viene utilizzata per impedire la fuoriuscita di acqua dal rotore della turbina. L'acqua di tenuta può surriscaldarsi durante il funzionamento e la sua temperatura elevata può influire sulle prestazioni di tenuta. Gli scambiatori di calore a piastre vengono installati per raffreddare l'acqua di tenuta. L'acqua di tenuta calda passa attraverso un lato dello scambiatore di calore e l'acqua fredda da una fonte di raffreddamento scambia calore con essa. Mantenendo l'acqua di tenuta a una temperatura appropriata, l'integrità della tenuta viene preservata, riducendo il rischio di perdite d'acqua e migliorando l'efficienza del funzionamento della turbina.

3.4 Raffreddamento delle apparecchiature ausiliarie

Le centrali idroelettriche dispongono di una varietà di apparecchiature ausiliarie, come trasformatori, pompe e compressori. Anche questi componenti generano calore durante il funzionamento e richiedono raffreddamento. Gli scambiatori di calore a piastre possono essere applicati per raffreddare l'olio lubrificante o l'acqua di raffreddamento di questi dispositivi ausiliari. Ad esempio, in un trasformatore, l'olio isolante può surriscaldarsi a causa delle perdite nel nucleo e negli avvolgimenti del trasformatore. Uno scambiatore di calore a piastre può essere utilizzato per raffreddare l'olio isolante, garantendo il funzionamento sicuro e stabile del trasformatore. Allo stesso modo, per pompe e compressori, gli scambiatori di calore a piastre possono raffreddare il loro olio lubrificante o il fluido di processo, migliorando l'affidabilità e la durata di queste apparecchiature ausiliarie.

4. Vantaggi dell'utilizzo di scambiatori di calore a piastre nelle centrali idroelettriche

4.1 Elevata efficienza di trasferimento del calore

Come accennato in precedenza, il design a piastre corrugate degli scambiatori di calore a piastre fornisce un'ampia superficie di scambio termico. La turbolenza creata dalle ondulazioni migliora anche il coefficiente di scambio termico. Rispetto agli scambiatori di calore tradizionali a fascio tubiero, gli scambiatori di calore a piastre possono raggiungere velocità di trasferimento del calore molto più elevate. In una centrale idroelettrica, questa elevata efficienza significa che è necessaria meno acqua di raffreddamento per raggiungere lo stesso livello di dissipazione del calore, riducendo il consumo di acqua e l'energia necessaria per pompare l'acqua di raffreddamento.

Ad esempio, in un'applicazione di raffreddamento del generatore, uno scambiatore di calore a piastre può trasferire calore con un coefficiente di scambio termico globale nell'intervallo di 2000 - 5000 W/(m²·K), mentre uno scambiatore di calore a fascio tubiero potrebbe avere un coefficiente di 1000 - 2000 W/(m²·K). Questa maggiore efficienza consente un sistema di raffreddamento più compatto ed efficiente dal punto di vista energetico nella centrale idroelettrica.

4.2 Design compatto

Gli scambiatori di calore a piastre sono molto più compatti di molti altri tipi di scambiatori di calore. La struttura a piastre impilate occupa molto meno spazio. In una centrale idroelettrica, dove lo spazio può essere limitato, soprattutto in aree con complesse disposizioni delle apparecchiature, il design compatto degli scambiatori di calore a piastre è altamente vantaggioso. Possono essere facilmente installati in spazi ristretti, riducendo l'ingombro complessivo del sistema di raffreddamento.

Ad esempio, quando si adatta una centrale idroelettrica esistente per migliorarne la capacità di raffreddamento, la natura compatta degli scambiatori di calore a piastre consente l'aggiunta di nuove unità di scambio termico senza importanti modifiche all'infrastruttura esistente, risparmiando tempo e costi.

4.3 Facile manutenzione

Il design modulare degli scambiatori di calore a piastre li rende relativamente facili da manutenere. Le piastre sono facilmente accessibili e rimovibili per la pulizia o la sostituzione. In un ambiente di centrale idroelettrica, dove l'acqua di raffreddamento può contenere impurità che possono causare incrostazioni sulle superfici di scambio termico, la capacità di pulire rapidamente le piastre è fondamentale. Se una guarnizione si guasta o una piastra è danneggiata, può essere sostituita singolarmente, riducendo al minimo i tempi di inattività dell'apparecchiatura.

La manutenzione regolare degli scambiatori di calore a piastre nelle centrali idroelettriche prevede in genere l'ispezione visiva delle piastre per individuare segni di corrosione o incrostazioni, il controllo dell'integrità delle guarnizioni e la pulizia delle piastre utilizzando agenti di pulizia appropriati. Questa facile manutenzione contribuisce a garantire il funzionamento affidabile a lungo termine degli scambiatori di calore e dell'intera centrale idroelettrica.

4.4 Convenienza

Sebbene il costo iniziale di uno scambiatore di calore a piastre possa essere leggermente superiore rispetto ad alcuni tipi di scambiatori di calore di base, la loro convenienza a lungo termine è evidente. La loro elevata efficienza di trasferimento del calore riduce il consumo di energia associato al raffreddamento, con conseguenti minori costi operativi. Il design compatto riduce anche i costi di installazione, poiché è necessario meno spazio per la loro installazione. Inoltre, la facile manutenzione e la lunga durata degli scambiatori di calore a piastre contribuiscono al risparmio sui costi complessivi nel funzionamento di una centrale idroelettrica.

5. Sfide e soluzioni nell'applicazione degli scambiatori di calore a piastre nelle centrali idroelettriche

5.1 Incrostazioni

L'incrostazione è un problema comune negli scambiatori di calore e le centrali idroelettriche non fanno eccezione. L'acqua di raffreddamento utilizzata nelle centrali idroelettriche può contenere solidi sospesi, microrganismi e altre impurità. Queste sostanze possono depositarsi sulle superfici di scambio termico dello scambiatore di calore a piastre, riducendo l'efficienza di trasferimento del calore. Per affrontare questo problema, è essenziale il pretrattamento dell'acqua di raffreddamento. È possibile installare sistemi di filtrazione per rimuovere i solidi sospesi e il trattamento chimico può essere utilizzato per controllare la crescita dei microrganismi.

Inoltre, è necessaria una pulizia regolare dello scambiatore di calore a piastre. È possibile utilizzare metodi di pulizia meccanica, come l'utilizzo di spazzole o getti d'acqua ad alta pressione, per rimuovere i depositi dalle superfici delle piastre. È possibile utilizzare anche agenti di pulizia chimici, ma è necessario prestare attenzione per garantire che non danneggino le piastre o le guarnizioni.

5.2 Corrosione

L'acqua di raffreddamento nelle centrali idroelettriche può avere un certo grado di corrosività, soprattutto se contiene sali o acidi disciolti. La corrosione può danneggiare lo scambiatore di calore a piastre nel tempo, riducendone la durata e le prestazioni. Per prevenire la corrosione, i materiali dello scambiatore di calore a piastre vengono accuratamente selezionati. Le piastre in acciaio inossidabile sono comunemente utilizzate grazie alla loro buona resistenza alla corrosione. In alcuni casi, possono essere utilizzati materiali più resistenti alla corrosione come il titanio, soprattutto quando l'acqua di raffreddamento è altamente corrosiva.

È inoltre possibile applicare rivestimenti alle superfici delle piastre per fornire un ulteriore strato di protezione contro la corrosione. È possibile installare sistemi di protezione catodica nel circuito di acqua di raffreddamento per ridurre ulteriormente il rischio di corrosione. È importante monitorare regolarmente la velocità di corrosione dello scambiatore di calore a piastre per rilevare eventuali primi segni di corrosione e adottare le misure appropriate.

5.3 Caduta di pressione

Il flusso di fluidi attraverso uno scambiatore di calore a piastre provoca una caduta di pressione. In una centrale idroelettrica, se la caduta di pressione è troppo elevata, può aumentare il consumo di energia delle pompe utilizzate per far circolare i fluidi. Per ottimizzare la caduta di pressione, è necessario considerare attentamente il design dello scambiatore di calore a piastre. Il modello di ondulazione delle piastre, il numero di piastre e la disposizione del flusso (parallelo o controcorrente) possono influire sulla caduta di pressione.

Le simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD) possono essere utilizzate durante la fase di progettazione per prevedere la caduta di pressione e ottimizzare i parametri di progettazione. In funzione, le portate dei fluidi caldi e freddi possono essere regolate per bilanciare le prestazioni di trasferimento del calore e la caduta di pressione. Se necessario, è possibile installare pompe aggiuntive per compensare la caduta di pressione, ma ciò dovrebbe essere fatto considerando l'efficienza energetica complessiva del sistema.

6. Conclusione

Gli scambiatori di calore a piastre hanno una vasta gamma di applicazioni nelle centrali idroelettriche e offrono numerosi vantaggi come l'elevata efficienza di trasferimento del calore, il design compatto, la facile manutenzione e la convenienza. Svolgono un ruolo fondamentale nel raffreddamento di vari componenti nelle centrali idroelettriche, garantendo il funzionamento stabile ed efficiente del processo di generazione di energia. Tuttavia, è necessario affrontare sfide come incrostazioni, corrosione e caduta di pressione attraverso un'adeguata progettazione, trattamento dell'acqua e strategie di manutenzione. Con i continui progressi nella tecnologia degli scambiatori di calore e la crescente domanda di energia pulita ed efficiente, gli scambiatori di calore a piastre dovrebbero continuare a svolgere un ruolo importante nello sviluppo e nel funzionamento delle centrali idroelettriche in futuro.