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

è la potenza termica,

q è un coefficiente, supposto costante nello scambiatore, detto 'trasmittanza'; esso è il reciproco della

H

"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].

è la superficie di scambio [a rigore, la superficie di scambio sarà a sua volta la media logarirmica tra

S

superfici interna ed esterna del tubo. Data la poca differenza relativa, possiamo approssimare

con una media aritmetica.]

( ) è la media logaritmica tra le differenze di temperatura tra i due fluidi ad un estremo (lato 1) e

∆

T ml

l'altro (lato 2) dello scambiatore: ( ) ( )

∆ − ∆

T T

( ) 2 1

∆ T ml = ( ) ( )

ln ∆ T − ln ∆

T

2 1

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).

Non considerando questo caso, vogliamo ora confrontare gli scambiatori a tubi coassiali a disposizione

equicorrente e controcorrente [in generale, con uno scambiatore a tubi concentrici in disposizione

controcorrente è possibile ottenere che il fluido scaldato, alla sua uscita, sia a temperat