Scambiatori di Calore, Fisica tecnica

Scambiatori di calore

È spesso necessario negli impianti industriali trasferire delle quantità di calore fra due fluidi. Lo scambiatore di calore è una apparecchiatura progettata proprio allo scopo di trasferire calore tra due fluidi.

Tipologie di scambiatori di calore

Gli scambiatori di calore possono essere classificati in tre diverse categorie:

• Rigeneratori
• Scambiatori del tipo aperto
• Scambiatori di tipo chiuso

Rigeneratori

I rigeneratori sono scambiatori nei quali il fluido caldo ed il fluido freddo fluiscono alternativamente nello stesso spazio senza mescolarsi. All’interno del rigeneratore vi sono delle superfici che ricevono e rilasciano alternativamente il calore.

Scambiatori del tipo aperto

Gli scambiatori del tipo aperto sono delle apparecchiature nelle quali i due fluidi entrano in una camera aperta e si mescolano completamente: nella camera entrano i due fluidi caldo e freddo e ne esce una unica corrente. Per analizzare questi scambiatori è sufficiente la legge di conservazione della portata ed il 1° principio della termodinamica.

Scambiatori del tipo chiuso

Gli scambiatori del tipo chiuso sono quelli nei quali i fluidi non si mescolano o entrano fisicamente in contatto; essi sono separati tra di loro dalla parete di un tubo o da una superficie generica. Lo scambio termico avviene per convezione tra il fluido caldo e la parete solida, per conduzione attraverso il solido, per convezione fra la superficie solida ed il fluido più freddo.

Classificazione in base alla direzione dei flussi

Gli scambiatori di calore vengono classificati a seconda delle direzioni dei fluidi e del numero di passaggi di ciascun fluido nello scambiatore:

• A flussi paralleli: quando i fluidi si muovono parallelamente; essi possono essere:
  • In equicorrente: quando i fluidi hanno lo stesso verso del moto
  • In controcorrente: quando i fluidi si muovono in direzioni opposte
• A flussi ortogonali o incrociati: quando i due fluidi si muovono in direzioni perpendicolari fra di loro

Progetto degli scambiatori di calore

Il progetto degli scambiatori di calore inizia generalmente con la determinazione della superficie necessaria per scambiare la quantità di calore richiesta fra le due correnti fluide, che entrano nello scambiatore con date temperature e portate. Altre quantità di interesse sono le temperature di uscita dei due fluidi.

Sono state sviluppate varie configurazioni geometriche di scambiatori, detti compatti, tali da incorporare l’area di scambio richiesta nel volume più piccolo possibile.

Scambiatori a tubi e mantello

Un tipo comune di configurazione di scambiatore compatto è il tipo a tubi e mantello, dove un grande involucro (il mantello) racchiude molti tubi che forniscono al fluido uno, due o più passaggi all’interno del mantello. Il fluido nel mantello è forzato a muoversi avanti e indietro dai diaframmi. Senza questi diaframmi il fluido avrebbe la tendenza a canalizzarsi, ovvero a procedere direttamente dall’entrata all’uscita e, se ciò avvenisse, rimarrebbe stagnante in alcune zone, con una diminuzione dello scambio termico in queste zone morte e la conseguente diminuzione dell’efficienza generale dello scambiatore. Questi scambiatori possono essere enormi, con diametri e lunghezze di vari metri e possono includere migliaia di tubi.

Scambiatore a doppio tubo

Lo scambiatore più semplice che noi analizzeremo è costituito da due tubi concentrici (fig. 1).

Fig. 1 - Scambiatori a doppio tubo equicorrente e controcorrente.

Scambiatori a due tubi concentrici

Nella fig. 2, sono rappresentati i profili di temperatura delle due correnti per scambiatori equicorrente e controcorrente del tipo a doppio tubo (due tubi concentrici). La temperatura del fluido che cede calore diminuisce e contemporaneamente la temperatura del fluido freddo aumenta. In questo tipo di scambiatore sono importanti le direzioni dei fluidi.

Fig. 2 - Profili di temperatura negli scambiatori a doppio tubo equicorrente e controcorrente.

Esaminando la Fig. 2, si vede che esiste una grande differenza tra di essi: se lo scambiatore in equicorrente fosse di lunghezza infinita, i due fluidi uscirebbero alla stessa temperatura, la quale sarebbe uguale alla temperatura di miscelamento dei due fluidi se li si facesse mescolare liberamente in uno scambiatore del tipo aperto. Per uno scambiatore in controcorrente di lunghezza infinita, il fluido freddo raggiungerebbe la temperatura di ingresso del fluido caldo, e dunque scambierebbe una maggior quantità di calore che nel caso precedente.