Scambiatore di calore

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Scambiatore di calore a doppio tubo.

In impiantistica, lo scambiatore di calore è un componente in cui si realizza uno scambio di energia tra due fluidi a temperature diverse. In generale gli scambiatori sono sistemi aperti che operano senza scambio di lavoro, ovvero presentano un flusso costante di fluido e una distribuzione di temperatura a regime costante.

Indice

[modifica] Storia

Si ha notizia di scambiatori di calore come li intendiamo oggi a partire dal tardo periodo repubblicano di Roma, come elemento scaldante dell'acqua dei calidaria delle terme. In quel caso i fumi di combustione della legna passavano a contatto di lastre di pietra sul cui lato opposto era fatta passare l'acqua da scaldare. In tempi successivi i fumi sono stati fatti passare in canali praticati sempre nella pietra, realizzando così un rudimentale fascio tubiero. In tutti questi casi, però, mancava il contenimento del fluido freddo (l'acqua) e quindi la definizione di scambiatore è discutibile. Sono invece scambiatori a tutti gli effetti i serpentini utilizzati nella distillazione - o meglio, nella condensazione del distillato - già nel Medio Evo. Utilizzando una classificazione più sotto riportata, erano scambiatori a fascio tubiero 1-1. Più di recente (XVIII-XIX secolo), sono state introdotte le caldaie a tubi di fumo in cui, oltre al calore radiante del focolare, si sfrutta il calore sensibile dei fumi, e sono stati realizzati i condensatori, parte essenziale del motore a vapore, sin dalla nascita configurati come fasci tubieri. Verso gli anni '30 del XX secolo si è iniziato a distaccarsi dalle superfici tubolari per utilizzare in maniera significativa superfici piane (eventualmente corrugate), quelle che oggi si impiegano negli scambiatori a piastre ed a spirale. Oggi la tecnica dello scambio termico può considerarsi matura, e le innovazioni che di tanto in tanto si presentano sono tutto sommato marginali.

[modifica] Classificazione degli scambiatori di calore

Vi sono criteri di classificazione diversi, basati su differenti caratteristiche.

[modifica] Classificazione per modalità di contatto tra le correnti

In base alla modalità di contatto tra le due correnti, gli scambiatori di calore possono essere:

Gli scambiatori a miscela operano una semplice miscelazione dei fluidi, che di conseguenza si portano alla stessa temperatura. Un esempio notevole è il degasatore termico dell'acqua di alimento di una caldaia a vapore, in cui viene iniettato vapore d'acqua allo scopo di creare le condizioni per una parziale evaporazione, con i vapori della quale vengono anche estratti i gas indesiderati (soprattutto l'ossigeno).
  • a superficie: è la classe a cui appartengono gli scambiatori più comunemente utilizzati. Le correnti assorbono il calore dalle superfici con le quali sono separati.
In uno scambiatore a superficie si riconoscono due lati, contenenti i fluidi. In virtù del primo principio della termodinamica, i corpi devono essere a temperature diverse perché vi sia trasferimento di energia termica da uno all'altro, e si definiscono quindi un lato caldo ed un lato freddo. Questi lati hanno caratteristiche diverse a seconda del tipo di scambiatore[1].

Nella grandissima maggioranza dei casi i corpi caldo e freddo che circolano all'interno di uno scambiatore di calore sono allo stato fluido quindi liquido, gas o vapore.

Rappresentazione d cinque scambiatori Cowper di tipo rigenerativo.

[modifica] Classificazione degli scambiatori a superficie per modello costruttivo

Scambiatore a fascio tubiero e mantello (shell & tube)

A seconda della geometria dello scambiatore, si possono definire (citando solo i casi principali) :

  • scambiatore a doppio tubo: i fluidi scorrono in due tubi coassiali, uno interno (tube - tubo) e uno esterno (annulus - camicia)
  • scambiatore a fascio tubiero e mantello: uno dei fluidi passa all'interno di tubi, solitamente a sezione circolare, e l'altro all'esterno dei tubi stessi, in una camera (mantello) appositamente realizzata.
  • scambiatore a piastre: i due fluidi lambiscono i lati opposti di una lamiera, solitamente corrugata o piana con l'inserimento di turbolatori , in camere alternate e tra loro isolate. La geometria di questi scambiatori è analoga alla filtropressa.
  • scambiatore a spirale: i due fluidi passano ai lati opposti di una lamiera, di solito liscia, in camere singole di grande lunghezza, avvolte a spirale per praticità.
  • scambiatore a blocchi di grafite o altro materiale: le correnti circolano in fori cilindrici, solitamente disposti ortogonalmente nei due lati.
  • scambiatore a pacco alettato: uno dei fluidi passa all'interno di tubi, solitamente a sezione circolare, e l'altro (gassoso) attraverso il pacco alettato all'esterno dei tubi.
  • forno: i tubi vengono riscaldati tramite irraggiamento, e scambiano il calore con le correnti che transitano al loro interno

[modifica] Classificazione per tipologia di processo

A seconda del processo pr cui sono utilizzati, gli scambiatori possono essere:


[modifica] Classificazione per profilo termico

Fig. 10: Scambio in controcorrente ed equicorrente

La maggior parte dei processi di scambio termico non sono isotermici, avvengono cioè a temperatura variabile. In altri termini, un corpo entra a bassa temperatura e si riscalda; l'altro entra ad alta temperatura e si raffredda. Si presentano quindi 3 casi di profilo termico :

È evidente che solo nel caso di scambio in controcorrente la temperatura di uscita del fluido freddo può essere superiore a quella di uscita del fluido caldo.

[modifica] Principi di scambio termico

Figura 11: Trasmissione del calore attraverso parete

Senza voler entrare nei dettagli della fisica del trasferimento di calore, si può dire che la potenza P scambiata in uno scambiatore è proporzionale a tre fattori:

P = S × U × ΔT

dove S dipende unicamente dalla geometria dello scambiatore, e T dall'applicazione e dal profilo termico.

Il coefficiente globale di scambio U è invece caratteristico dei fluidi in gioco e delle caratteristiche idrauliche. Si può pensare di scomporre il coefficiente globale in coefficienti lato caldo (coefficiente convettivo), attraverso parete (coefficiente conduttivo) e lato freddo (coefficiente convettivo), (vedi figura 11); risulterà in ciascuno dei casi una differenza di temperatura, e un coefficiente di scambio, rispettivamente Uc, Up, Uf. Ciò premesso, si trova che :

\frac{1}{U} = \frac{1}{U_c} + \frac{1}{U_p} + \frac{1}{U_f}

Risulta che Uc e Uf sono influenzati positivamente da alta conducibilità termica del fluido e alta turbolenza del fluido (negativamente dai valori opposti), e Up dalla conducibilità termica del materiale costituente la parete. In particolare, si nota un forte aumento del coefficiente di scambio lato fluidi quando si passa da regime laminare a regime turbolento

Un'analisi più dettagliata dello scambio termico si può ottenere tramite l'utilizzo dell'equazione del calore. Quest'equazione essendo un'equazione differenziale alle derivate parziali è risolvibili in modo analitico solo nei casi più semplici. Nelle applicazioni reali questa può essere risolta con l'utilizzo di metodi numerici che possono trattare qualsiasi tipologia di geometria.

[modifica] Costruzione

A livello strutturale, gli scambiatori di calore sono considerati apparecchi a pressione e perciò sottostanno, per ragioni di sicurezza, a vari codici ufficiali di calcolo meccanico (per es. PED in Europa, ASME in America).

[modifica] Applicazioni

Immagine a falsi colori di una serpentina di raffreddamento di un frigorifero.

I campi di applicazione di questi apparecchi sono tantissimi sia nell'impiantistica civile che industriale. Un settore dove sono molto utilizzati (soprattutto gli scambiatori a piastre) sono gli impianti di teleriscaldamento dove in sostanza costituiscono l'interfaccia tra la rete di distribuzione dell' acqua calda o surriscaldata prodotta dalla centrale di quartiere e l'impianto di riscaldamento dell'utente finale. Altra applicazione è negli impianti di climatizzazione/condizionamento di locali o veicoli. Vengono attraversati da un fluido frigorigeno (oggi R134a, ma in futuro si pensa di passare all'anidride carbonica) nei tubi/piastre e dall'aria fra le alette. Il fluido frigorigeno scambia calore con l'aria in modo da:

  1. asportare calore dalla portata di aria che entra nel locale o veicolo da trattare climaticamente in modo da abbassare la sua temperatura ed umidità. Lo scambiatore utilizzato prende il nome di evaporatore, perché il fluido frigorigeno passa da liquido a vapore.
  2. cedere il calore asportato dall'aria da trattare all'ambiente esterno in modo da ricominciare il ciclo termodinamico. In questo caso si parla di condensatore, perché il fluido frigorigeno passa da vapore surriscaldato a liquido.

[modifica] Note

  1. ^ Nelle figure che seguono i lati sono rappresentati con colori distinti.
  2. ^ più precisamente, bisogna fare riferimento alla differenza di temperatura media logaritmica tra le due sezioni estreme dello scambiatore.

[modifica] Bibliografia

[modifica] Voci correlate

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