Scambiatori di calore: principi di funzionamento e applicazioni

Scambiatori di calore e semplice studio di funzione

di Orazio Sorgonà

Dalla Fisica Tecnica sappiamo che uno scambiatore di calore è un dispositivo attraverso il quale si realizza una trasmissione di calore tra fluidi, per esempio il nostro “radiatore” o termosifone di casa, attraverso il quale scambiano calore tra il liquido interno al termosifone e l’aria della stanza senza che i fluidi si miscelino tra di loro.

Il modello più semplice di scambiatore è a due tubi coassiali, detto a tubi concentrici, per il quale distinguiamo una disposizione “equicorrente” e “controcorrente” per la corrente dei due fluidi.

Lo scambio di calore per unità di tempo (potenza termica), escludendo fenomeni di trasformazioni tra calore e lavoro, si dimostra essere per entrambi:

q = HS ∆T_ml

dove

H è la potenza termica,

q è un coefficiente, supposto costante nello scambiatore, detto “trasmittanza”; esso è il reciproco della resistenza equivalente alla trasmissione di calore, ovvero della somma della resistenza del fluido nel tubo interno, della parete di questo, e del fluido all’esterno (si suppone che lo scambiatore sia adiabatico, per sezione, con l’ambiente). Nonché di una resistenza di “sporcamento”, per i due lati del tubo [data l’elevata trasmittanza del tubo, la sua resistenza può, in prima istanza, essere trascurata].

S è la superficie di scambio [a rigore, la superficie di scambio sarà a sua volta la media logaritmica tra superfici interna ed esterna del tubo. Data la poca differenza relativa, possiamo approssimare con una media aritmetica.]

∆T_ml è la media logaritmica tra le differenze di temperatura tra i due fluidi ad un estremo (lato 1) e l’altro (lato 2) dello scambiatore:

∆T_ml = (∆T₂ − ∆T₁) / [ln(∆T₂) − ln(∆T₁)]

Per altri tipi di scambiatore, q è quello per lo scambiatore controcorrente moltiplicato per un “fattore di forma” F, compreso tra 0 e 1, che dipende dalla geometria, dalle temperature di entrata ed uscita, e capacità termiche dei fluidi.

Se almeno uno di questi è in stato di cambiamento di fase, lo scambio termico a parità di altre condizioni è lo stesso per le due disposizioni e per tutti i tipi di scambiatore (F=1).