ITMI952192A1 - Scambiatore di calore a piastre - Google Patents

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Klas Bertilsson
Alvaro Zorzin
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Tetra Laval Holdings & Finance
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Abstract

La presente invenzione riguarda uno scambiatore di calore a piastre per la refrigerazione e l'erogazione, comprendente un pacco di piastre di trasferimento di calore (2A, 2B) che sono dotate di luci di ingresso (9A, 9B) formanti un canale di ingresso (17A, 17B) attraverso il pacco, e tra le piastre di trasferimento di calore (2A, 2B) essendo disposti i mezzi di sigillature, che, con le piastre di trasferimento di calore (2A, 2B) in ogni interspazio alterno fra le piastre definiscono un primo passaggio di flusso (13A, 13B) per un fluido refrigerante e in ciascuno degli interspazi tra le piastre rimanenti definiscono un secondo passaggio di flusso per un altro fluido refrigerante e in ciascuno degli interspazi tra le piastre rimanenti definiscono un secondo passaggio di flusso per un altro fluido, in cui il canale di ingresso (17A, 17B) comunica con ciascun primo passaggio di flusso (13A, 13B) ed è bloccato per ciascun secondo passaggio di flusso mediante detti mezzi di sigillature. L'essenza dell'invenzione è che le piastre di trasferimento di calore (2A, 2B) sono dotate di una seconda luce (2A, 2B) formante un canale di distribuzione (18A, 18B) attraverso il pacco di piastre di trasferimento di calore () e che una comunicazione è formata tra il canale di ingresso (17A, 17B) ed il canale di distribuzione (18A, 18B) e tra canale di distribuzione (18A, 18B) e il primo pasaggio di flusso (13A, 13B) rispettivamente.

Description

«SCAMBIATORE DI CALORE A PIASTRE»
DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda uno scambiatore di calore a piastre per la refrigerazione o l'evaporazione, comprendente un pacco di piastre di trasferimento di calore, che sono dotate di luci di ingresso formanti un canale di ingresso attraverso il pacco, tra le piastre di trasferimento di calore essendo disposti mezzi di sigillatura, che, con le piastre di trasferimento di calore in ciascun interspazio tra piastre alterne, definiscono un primo passaggio di flusso per un fluido di refrigerazione e in ciascuno dei rimanenti interspazi fra le piastre definiscono un secondo passaggio di flusso per un altro fluido, e in cui il canale di ingresso comunica con ciascun primo passaggio di flusso, ed è bloccato da ciascun secondo passaggio di flusso mediante detti mezzi di sigillatura.
Scambiatori di calore a piastre già noti per la refrigerazione o l'evaporazione sono normalmente dotati di una valvola di espansione o dispositivo di riduzione della pressione del refrigerante prima dell'ingresso dello scambiatore di calore a piastre. Gli scambiatori di calore a piastre noti sono o permanentemente uniti o dotati di guarnizioni, e essendo normalmente costruiti con ingressi ed uscite di dimensioni uguali per il rispettivo fluido di trasferimento di calore. Ingressi ed uscite di dimensioni uguali sono soddisfacenti, rispetto alla velocità di flusso ed alla caduta di pressione, nel manipolare fluido di trasferimento di calore monofase, poiché il volume specifico per il fluido non varia alla temperatura a cui il fluido è esposto durante il trasferimento di calore.
In trasferimento di calore a due fasi, come ad esempio refrigerazione o evaporazione, il fluido è alimentato in fase liquida e scaricato in fase gassosa. La fase gassosa ha un volume specifico molto maggiore di quello della fase liquida. La velocità di flusso e la caduta di pressione nell'uscita divengono maggiori che nell'ingresso. Mediante ingressi ed uscite di uguali dimensioni, squilibrio può apparire tra passaggi diversi tra piastre di trasferimento di calore adiacenti dello scambiatore di calore a piastre, che è impiegato per trasferimento di calore a due fasi.
Un grande problema è quello di ottenere una quantità uguale di miscela refrigerante in tutti i passaggi. A causa della variazione della direzione del flusso, non vi è la medesima pressione lungo il canale di ingresso. Inoltre, refrigerante liquido passante attraverso un dispositivo di riduzione di pressione avrà, a causa di evaporazione durante l'espansione del refrigerante, una miscela di liquido e gas. L'inerzia del liquido nella miscela rende la miscela meno omogenea lungo il canale di ingresso. Una quantità diversa di refrigerante nei passaggi tra piastre di trasferimento di calore adiacenti significa impiego diverso dell'area di trasferimento di calore di piastre di trasferimento di calore diverse. La parte della superficie di trasferimento di calore sarà dedicata a riscaldare il vapore, a causa del bassissimo coefficiente di trasferimento termico rispetto al coefficiente di trasferimento termico del liquido.
Conseguentemente, una capacità più bassa sarà raggiunta in passaggi dello scambiatore di calore a piastre avente una gran quantità di vapore.
Per evitare il problema di distribuzione disuniforme del refrigerante, uno scambiatore di calore a piastre del tipo precedentemente menzionato è stato illustrato nella Domanda di Brevetto Svedese 8702608-4. In questo documento, è già noto prevedere uno scambiatore di calore a piastre con mezzi di strozzamento in ciascun ingresso tra due piastre di trasferimento di calore adiacenti, per ottenere una eguale distribuzione del refrigerante entrante. I mezzi di strozzamento sono costituiti da un anello o da una rondella, dotato di un foro, e disposto tra ciascuna coppia di piastre di trasferimento di calore adiacenti. I mezzi di strozzamento possono pure essere costituiti da un tubo, avente una pluralità di fori centrali. Il tubo è disposto nel canale di ingresso dello scambiatore di calore a piastre. Come alternativa è stato pure proposto che i mezzi di strozzamento possono essere formati integrati con le piastre di trasferimento di calore. I bordi delle luci di due piastre di trasferimento di calore adiacenti sono stati ripiegati ad una attestatura, bordo-abordo, l'uno verso l'altro con l'eccezione di una breve distanza, prevista per formare una apertura per distribuire il refrigerante ai passaggi tra piastre di trasferimento di calore adiacenti.
I summenzionati mezzi di strozzamento non si sono rivelati in grado di funzionare in un modo soddisfacente. Problemi si sono verificati nella produzione dello scambiatore di calore a piastre. L'impiego di anelli o rondelle separati si è rivelato eccessivamente costoso, ed è stato difficile posizionare gli anelli o le rondelle in posizione corretta quando lo scambiatore di calore a piastre era assemblato. Mezzi di strozzamento aventi la sagoma di un tubo devono essere adattati al numero di piastre di trasferimento di .calore include nello scambiatore di calore a piastre e devono pure essere correttamente correlati ai passaggi di ingresso tra le piastre di trasferimento di calore. Ciò ha avuto come conseguenza il fatto che questi tubi non sono stati impiegati nella produzione seriale di scambiatore di calore a piastre. Il ripiegamento del bordo della luce non si è rivelato pratico o possibile, a causa del fatto che le piastre di trasferimento di calore sono costituite da piastre sottili, e si è rivelato difficile ottenere una apertura ben definita agli interspazi tra le piastre .
Il Brevetto Tedesco DE 4 422178 illustra un dispositivo di distribuzione per un flusso di refrigerante a due fasi in uno scambiatore di calore a piastre. Un blocco poroso è inserito nel percorso di flusso del refrigerante. Il dispositivo di distribuzione ha un canale ricevente il flusso di refrigerante a due fasi da una valvola di espansione in corrispondenza dell'ingresso dello scambiatore di calore a piastre e che lo alimenta attraverso il blocco poroso che ha pori o aperture di uscita paralleli. Preferibilmente, il blocco poroso ha una sezione trasversale che si rastrema dalla estremità di ingresso del canale ed e contenuta in un manicotto con aperture a sbarramento allineate con le posizioni di passaggi tra le piastre di trasferimento di calore. Un inconveniente associato al dispositivo di distribuzione è che esso deve essere adattato alla lunghezza del canale di ingresso.
Il Brevetto Internazionale WO 94/14021 illustra uno scambiatore di calore a piastre per evaporatori in sistemi di refrigerazione, aventi un ingresso del refrigerante che comunica con passaggi tra piastre di trasferimento di calore adiacenti dello scambiatore di calore a piastre, con distributore controllante il flusso sotto forma di un tubo. Un complesso di piastre separa e definisce passaggi per il flusso di refrigerante ed un fluido di scambio di calore. Un ingresso del refrigerante comunica con i passaggi per il refrigerante ed un ingresso del fluido di scambio di calore comunica con i passaggi del fluido di scambio di calore. E illustrato un distributore di refrigerante associato con l'ingresso del refrigerante il quale include mezzi di controllo di flusso per regolare e dirigere il refrigerante nel rispettivo passaggio per il refrigerante. L'ingresso del refrigerante comprende fori allineati nelle piastre ed il distributore comprende un tubo posizionato nell'ingresso del refrigerante. Il tubo ha aperture formanti il controllo di flusso e da cui refrigerante è diretto in ciascuno dei passaggi per il refrigerante. Anche tale documento presenta l'inconveniente che il dispositivo di distribuzione deve essere adattato alla lunghezza del canale di ingresso.
Lo scopo della presente invenzione è quello di evitare i summenzionati inconvenienti di scambiatori di calore a piastre già noti e ottenere uno scambiatore di calore a piastre del tipo descritto nell'introduzione, in cui le piastre di trasferimento di calore dello scambiatore di calore a piastre siano formate in maniera tale che la distribuzione del refrigerante possa essere ottenuta a basso costo relativamente alla produzione e all'assemblaggio dello scambiatore di calore a piastre.
Tale scopo viene raggiunto dalla presente invenzione, che è principalmente caratterizzata dal fatto che le piastre di trasferimento di calore sono dotate di almeno una seconda luce, formante un canale di distribuzione attraverso il pacco di piastre di trasferimento di calore, che il canale di distribuzione è posizionato tra il canale di ingresso ed il primo passaggio di flusso, e che almeno una prima apertura è formata per la comunicazione fra il canale di ingresso ed il canale di distribuzione ed almeno una seconda apertura è formata per la comunicazione tra il canale di distribuzione e il primo passaggio di flusso.
Grazie alla presente invenzione, la necessità di avere componenti addizionali è eliminata e, mediante integrazione dei mezzi di strozzamento nella configurazione della piastra, la sagoma può essere alterata in dipendenza dalla esigenza di strozzamento. Un vantaggio essenziale associato alla presente invenzione è costituito dal fatto che una piastre di trasferimento di calore di un tipo, progettata secondo l'invenzione, può essere impiegata per realizzare scambiatori di calore a piastre di dimensioni diverse.
Nel canale di ingresso, il flusso di refrigerante deve variare di direzione perpendicolarmente alla direzione del canale e deve eseguire una prima egualizzazione della pressione. Inoltre, la miscela sarà più omogenea nell'entrata nel canale di distribuzione successivo, in cui la pressione è equalizzata prima di entrare nei passaggi tra piastre di trasferimento di calore adiacenti. Il risultato di pressione eguale e di miscela omogenea è che la medesima quantità di refrigerante sarà alimentata in tutti i passaggi.
L'invenzione sarà descritta più dettagliatamente in seguito facendo riferimento ai disegni acclusi, nei quali:
la Figura 1 illustra una vista prospettica di uno scambiatore di calore a piastre,
la Figura 2 illustra una sezione trasversale presa attraverso uno scambiatore di calore a piastre convenzionale lungo la linea A-A di Figura 1;
la Figura 3 illustra una sezione trasversale parziale presa attraverso uno scambiatore di calore a piastre secondo una prima forma di realizzazione dell'invenzione, lungo la linea A-A di Figura 1,
la Figura 4 illustra una parte di una piastra di trasferimento di calore inclusa in una forma di realizzazione addizionale di uno scambiatore di calore a piastre secondo l'invenzione, e
la Figura 5 illustra una sezione trasversale presa lungo la linea B-B di Figura 4.
In Figura 1 è illustrato uno scambiatore di calore a piastre 1, comprendente un pacco di piastre 2 di trasferimento di calore e piastre di copertura esterne 3 e 4, che sono disposte sul lato inferiore e superiore del pacco. Lo scambiatore di calore a piastre 1 ha un primo e secondo ingressi 5 e 6, e una prima e seconda uscite 7 e 8, per due fluidi di trasferimento di calore.
Lo scambiatore di calore a piastre, mostrato in Figura 2, comprende dieci piastre 2 di trasferimento di calore, che sono disposte l'una al di sopra dell'altra tra la piastra di copertura superiore esterna 4 e la piastra di copertura inferiore esterna 3. Il numero di piastre di trasferimento di calore 2 dello scambiatore di calore può essere alterato relativamente ad una capacità desiderata.
Le piastre di trasferimento di calore 2 sono dotate di luci 9 e 10. Le luci 9 e 10 sono mutuamente allineate, in modo tale che luci 9 formano un canale di ingresso 11 attraverso il pacco e le luci 10 formano un canale di uscita 12 attraverso il pacco.
Il canale di ingresso 11 è collegato in corrispondenza della sommità al tubo di ingresso 6 ed il canale di uscita 12 è collegato al tubo di uscita 7.
Lo scambiatore di calore a piastre 1 è dotato, in modo convenzionale, di mezzi di sigillatura tra le piastre di trasferimento di calore 2 che, assieme a rispettive piastre di trasferimento di calore in ogni interspazio di ciascuna piastra alterna formano un primo passaggio di flusso 13 per un fluido e, nei rimanenti interspazi tra le piastre formano secondi passaggi di flusso per un altro fluido.
Le piastre 2 di trasferimento di calore sono dotate di una configurazione a sagoma ondulata costituita da risalti paralleli 14, che sono disposti in modo tale che i risalti 14 di due piastre di trasferimento di calore adiacenti 2 si intersecano mutuamente.
Il primo passaggio di flusso 13 comunica con il canale di ingresso 11 mediante almeno un'apertura di ingresso 15 tra le luci 9 di due piastre di trasferimento di calore adiacenti 2.
Lo scambiatore di calore a piastre comprende piastre di trasferimento di calore rettangolari 2, ma possono essere concepibili altre sagome, come piastre di trasferimento di calore arrotondate .
Lo scambiatore di calore a piastre può essere o unito permanentemente mediante saldatura a lega o brasatura, incollaggio o elettrosaldatura, oppure può essere dotato di guarnizioni, consententi apertura dello scambiatore di calore a piastre.
Quando varie piastre di trasferimento di calore sono unite, mediante saldatura a lega o brasatura, le piastre sono impilate l'una sull'altra con un materiale di saldatura posizionato tra piastre di trasferimento di calore adiacenti. L'intero pacco è riscaldato in un forno finché la lega di saldatura non fonde.
Quando uno scambiatore di calore a piastre, dotato di guarnizioni, è assemblato, varie piastre sono impilate l'una sull'altra con guarnizioni, fatte di gomma o simili, disposte tra piastre adiacenti. Successivamente, l'intero pacco è serrato con l'ausilio di bulloni (non mostrati) o simili. La Figura 3 illustra una prima forma di realizzazione di uno scambiatore di calore a piastre secondo la presente invenzione, che, rispetto al convenzionale scambiatore di calore a piastre, rappresentato in Figura 2, è stato adattato per trattare refrigerante o altri fluidi evaporativi. Le piastre 2A di trasferimento di calore sono dotate di un canale di ingresso diviso per il fluido refrigerante integrato nel materiale delle piastre. L'area di ingresso della piastra di trasferimento di calore 2Ά è dotata di una prima luce 9A, avente un diametro minore rispetto a quello della luce 9 mostrata in Figura 2, ed una seconda luce 16A adiacente alla prima luce 9A. Il materiale delle piastre attorno alle luci 9A e 16A è stato formato in modo tale che la piastra di trasferimento di calore 2A si attesta strettamente verso una prima piastra di trasferimento di calore adiacente lungo il bordo della luce 9A e verso una seconda piastra di trasferimento di calore adiacente lungo il bordo della luce 16A.
In tal modo, lo scambiatore di calore a piastre di progettazione convenzionale può essere adattato assai facilmente per trattare refrigerante o altri fluidi evaporativi, secondo la presente invenzione. Tuttavia, la piastra di trasferimento di calore 2A può pure essere concepito in maniera tale che la seconda luce 16A sia posizionata all'esterno del canale di ingresso.
Un pacco di piastre di trasferimento di calore 2A, le luci 9A e 16A formano un canale di ingresso 17A e un canale di distribuzione 18A, rispettivamente, che comunicano fra loro mediante primi condotti di flusso o aperture nelle piastre. Il canale di distribuzione 18A comunica inoltre con i passaggi 13A mediante secondi condotti o aperture di flusso nelle piastre. Le aperture limitano o strozzano il flusso per equalizzare la pressione del refrigerante.
Per ottenere detta comunicazione tra il canale di ingresso 17A ed il canale di distribuzione 18A, e tra il canale di distribuzione 18A e i passaggi 13A tra le piastre di trasferimento di calore 2A, rispettivamente, le aperture sono state formate come fori 19 e 20 attraverso le piastre di trasferimento di calore 2A. Il numero dei fori 19 e 20 e le loro dimensioni possono essere semplicemente adattati ad uno strozzamento desiderato del flusso al passaggio di ingresso 13A. I fori 19 e 20 possono essere disposti in una delle o in entrambe due piastre di trasferimento di calore 2A adiacenti. La distanza dei fori 19 e 20 attorno alle luci 9A e 16A può essere alterata in dipendenza dalle proprietà di flusso desiderate, ma anche la distanza o le dimensioni nell'interspazio di piastre diverse lungo lo scambiatore di calore a piastre possono essere variate.
Grazie alla presente invenzione, è possibile scegliere opzionalmente una dimensione appropriata per i fori 19 e 20 e, in tal modo, essendo formate aperture d'ingresso ben definite per lo strozzamento del refrigerante entrante. Essenziale per l'invenzione è che il flusso di refrigerante subisce una prima riduzione di pressione, nel passare attraverso i fori 19 tra il canale di ingresso 17A ed il canale di distribuzione 18A, ed una seconda riduzione di pressione, nel passare attraverso i fori 20 tra il canale di distribuzione 18A ed i passaggi 13A fra piastre adiacenti.
Le piastre 2A di trasferimento di calore dello scambiatore di calore a piastre 1 sono formate in modo tale che lo strozzamento del flusso è integrato nella configurazione delle piastre e, in tal modo, il costo relativo alla produzione e al montaggio dello scambiatore di calore a piastre è basso.
Le Figure 4 e 5 illustrano una seconda forma di realizzazione dello scambiatore di calore a piastre secondo la presente invenzione, in cui le piastre 2 di trasferimento di calore sono dotate di una luce 9B formante un canale di ingresso 17B per il fluido. Attorno alla luce 9B è prevista un'area di sigillatura anulare essenzialmente piana 21, in cui le piastre 2B di trasferimento di calore si attestano strettamente 1'una verso l'altra. Un primo condotto di flusso 22 interseca l'area di sigillatura 21 e comunica con una seconda luce 16B, formante un canale di distribuzione 18B. Un secondo condotto 25 per flusso interseca l'area di sigillatura 21 e forma una comunicazione tra la seconda luce 16B ed il rispettivo passaggio 13B tra piastre di trasferimento di calore adiacenti 2B.
Un vantaggio è costituito dal fatto che i condotti di flusso 22 e 25 sono disposti perpendicolarmente al canale di ingresso 17B, e dal fatto che il flusso di refrigerante deve variare di direzione solamente una volta prima di entrare nel passaggio 13B. Scorrendo attraverso il primo condotto di flusso 22, è realizzata una prima equalizzazione della pressione. La miscela di refrigerante sarà più omogenea, nell'entrare nel canale di distribuzione 18B successivo, rispetto ad uno scambiatore di calore a piastre senza alcun dispositivo di distribuzione. Il canale di distribuzione 18B si estende attraverso l'intero scambiatore di calore a piastre 1 , e la pressione è equalizzata prima di entrare nei secondi condotti 25, che comunicano con ciascun passaggio 13B tra piastre di trasferimento di calore adiacenti 2B. Pressione eguale e una miscela omogenea di refrigerante nel canale di distribuzione 18B hanno come conseguenza il fatto che la medesima quantità di refrigerante sarà alimentata in tutti i passaggi 13B.
Le piastre di trasferimento di calore possono essere semplicemente adattate ad uno strozzamento desiderato del flusso di refrigerante facendo variare la posizione del fondo o facendo variare la larghezza dei condotti 22 e 25.
I condotti 22 e 25 possono essere disposti in una delle o in entrambe le due piastre di trasferimento di calore adiacenti 2B. Il numero di condotti 22 e 25 e la loro distanza possono essere previsti nel medesimo modo delle aperture descritte precedentemente con riferimento alla Figura 3.
Lo scambiatore di calore a piastre rappresentato è previsto per essere in grado di essere aperto, almeno parzialmente. Esso comprende parzialmente un giunto saldato lungo l'area di sigillatura e parzialmente una guarnizione di gomma 23 tra due coppie adiacenti di piastre di trasferimento di calore saldate. La guarnizione di gomma 23 è posizionata in una gola 24 per guarnizione attorno alla luce 9B e 16B.
I condotti 22 e 25 sono formati mediante pressatura del materiale delle piastre di almeno una di due piastre di trasferimento di calore 2B attestantisi l'una verso l'altra, che formano il primo passaggio di flusso 13B.

Claims (8)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Scambiatore di calore a piastre per la refrigerazione o l'evaporazione, comprendente un pacco di piastre di trasferimento di calore (2A, 2B), che sono dotate di luci di ingresso (9A, 9B) formanti un canale di ingresso (17A, 17B) attraverso il pacco, e tra le piastre di trasferimento di calore (2A, 2B) essendo disposti mezzi di sigillatura, che con le piastre di trasferimento di calore (2A, 2B) in ogni interspazio di piastre alterno definiscono un primo passaggio di flusso (13A, 13B) per un fluido di refrigerante e in ciascuno dei rimanenti interspazi fra le piastre definiscono un secondo passaggio di flusso per un altro fluido, ed il canale di ingresso (17A, 17B) comunicando con ciascun primo passaggio di flusso {13A, 13B) ed essendo bloccato da ciascun secondo passaggio di flusso mediante detti mezzi di sigillatura, caratterizzato dalfatto che le piastre di trasferimento di calore (2A, 2B) sono dotate di almeno una seconda luce (16A, 16B) formante un canale di distribuzione (18A, 18B) attraverso il pacco di piastre di trasferimento di calore (2A, 2B), che il canale di distribuzione (18A, 18B) è posizionato tra il canale di ingresso (17A, 17B) e il primo passaggio di flusso (13A, 13B), e che almeno una prima apertura è formata per la comunicazione tra il canale di ingresso (17A, 17B) ed il canale di distribuzione (18A, 18B) e almeno una seconda apertura è formata per la comunicazione tra il canale di distribuzione (18A, 18B) e il primo passaggio di flusso (13A, 13B).
  2. 2. Scambiatore di calore a piastre secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dalfatto che dette aperture strozzano il flusso per ecpializzare la pressione del refrigerante.
  3. 3. Scambiatore di calore a piastre secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dalfatto che le dimensioni delle aperture, tra il canale di ingresso (17A, 17B) ed il canale di distribuzione (18A, 18B) differiscono lungo il canale di ingresso (17A, 17B).
  4. 4. Scambiatore di calore a piastre secondo la rivendicazione 2 o 3, caratterizzalo dalfatto che una priorità di aperture sono distanziate attorno al canale di distribuzione (18A, 18B).
  5. 5. Scambiatore di calore a piastre secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dalfatto che il numero di aperture tra il canale di ingresso (17A, 17B) ed il canale di distribuzione (18A, 18B) differisce lungo il canale di ingresso (17A, 17B).
  6. 6. Scambiatore di calore a piastre secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-5, caratterizzato dalfatto che almeno una aperture è costituita da un foro {19, 20) attraverso almeno una di due piastre di trasferimento di calore attestantisi l'una verso l'altra (2A), formanti detto primo passaggio di flusso (13A).
  7. 7. Scambiatore di calore a piastre secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-5, caratterizzato dalfatto che almeno un'apertura è costituita da un condotto (22, 25) attraverso un'area di sigillatura (21) di due piastre di trasferimento di calore attestantisi l'una verso l'altra (2B) formanti detto primo passaggio di flusso (13B).
  8. 8. Scambiatore di calore a piastre secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che il condotto (22, 25) è formato pressando il materiale piastriforme di almeno una di due piastre di trasferimento di calore attestantisi l'una verso l'altra (2B) formanti detto primo passaggio di flusso (13B).
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