Come funziona uno scambiatore di calore?

Utilizzati per trasferire calore tra un fluido (liquido o gas) e un altro fluido (un altro liquido o gas) senza consentire ai due fluidi di entrare in contatto diretto tra loro, gli scambiatori di calore vengono utilizzati sia nei processi di riscaldamento che di raffreddamento.

Scambiatori di caloresono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni tra cui condizionamento dell'aria, impianti chimici, impianti petrolchimici, raffinerie di petrolio, centrali elettriche, lavorazione del gas naturale, refrigerazione, trattamento delle acque reflue e riscaldamento degli ambienti. Si possono trovare anche nei motori a combustione interna, dove consentono al liquido di raffreddamento del motore di fluire attraverso le serpentine del radiatore mentre l'aria scorre oltre, raffreddando il liquido di raffreddamento e riscaldando l'aria.

Uno scambiatore di calore funziona consentendo al calore di un fluido di passare in un altro fluido, più freddo, senza che questi si mescolino o entrino in contatto diretto.

Ad esempio, immagina un tubo con un altro tubo attorno. Il tubo interno potrebbe consentire il passaggio di un fluido caldo mentre un fluido più freddo viene fatto passare contemporaneamente attraverso il tubo esterno. Ciò consentirebbe al fluido più freddo di ridurre la temperatura di quello più caldo, poiché contemporaneamente il fluido più caldo aumenta il calore di quello più freddo. Naturalmente, questo è un esempio molto semplice di scambio di calore e ci sono una serie di altri fattori da considerare quando si esaminano gli scambiatori di calore:

1. Passa

Curvando i tubi, ad esempio a forma di "S", è possibile consentire ai fluidi di effettuare più di un "passaggio" prima di uscire dallo scambiatore di calore. Un passaggio singolo è un tubo diritto, in cui il fluido entra da un'estremità ed esce dall'altra estremità dello scambiatore di calore abbastanza rapidamente. Un doppio passaggio utilizza una forma a U-, in modo che il fluido entri ed esca dallo scambiatore di calore dalla stessa estremità, prolungando il tempo in cui i fluidi passano l'uno-altro nello scambiatore di calore. Un triplo passaggio utilizza una formazione a forma di "S" che consente al fluido di percorrere tre volte la lunghezza dello scambiatore di calore prima di uscire. Maggiore è il numero di passaggi, maggiore è la quantità di trasferimento di calore disponibile, semplicemente perché i fluidi rimangono insieme nel sistema per un tempo più lungo, sebbene ciò possa anche portare a cadute di pressione e perdita di velocità.

2. Incrocio della temperatura-

L'incrocio di temperatura-si verifica quando il calore del fluido più freddo inizia a incrociarsi con la temperatura del fluido caldo nello scambiatore di calore. Ad esempio, l'olio che entra in uno scambiatore di calore a 80 ⁰C insieme all'acqua a una temperatura di 30 ⁰C, potrebbe vedere le loro temperature incrociarsi-se l'olio dovesse ridursi a 50 ⁰C quando l'acqua raggiunge 51 ⁰C. A questo punto il fluido più freddo (acqua) è diventato più caldo dell'olio. Il crossover della temperatura-può ridurre significativamente l'efficienza di uno scambiatore di calore, in particolare durante il raffreddamento. Ciò può essere evitato aumentando la portata del liquido refrigerante (vedere "Portata" di seguito), in modo che ci sia più liquido refrigerante nel sistema. Laddove il crossover della temperatura-è inevitabile, l'utilizzo di uno scambiatore di calore a piastre (vedi "Tipi di scambiatori di calore, di seguito) è la soluzione migliore.

3. Differenziale di temperatura

Questo si riferisce alla differenza di temperatura tra il liquido di raffreddamento e il fluido caldo, che è importante in uno scambiatore di calore, come mostrato dal 'cross-over della temperatura' (sopra). Il liquido refrigerante deve essere mantenuto a una temperatura inferiore a quella del fluido caldo e, quanto più freddo è il liquido refrigerante, tanto più efficace sarà nel sottrarre calore al fluido caldo.

4. Portata

Si tratta della quantità di fluido che passa attraverso una sezione trasversale- di un tubo in un periodo di tempo specifico. Viene calcolato come il volume del fluido per il tempo in cui il fluido è fluito - con una portata maggiore, aumentando potenzialmente la capacità dello scambiatore di calore di trasferire calore. Tuttavia, più fluido significa anche una maggiore massa da trasportare, oltre ad aumentare la perdita di pressione e la velocità.

Gli scambiatori di calore possono essere classificati in base alla disposizione del flusso o alla progettazione dello scambiatore di calore stesso.

Le tre classificazioni principali della disposizione del flusso riscontrata negli scambiatori di calore sono flusso-parallelo, flusso controcorrente e flusso-incrociato:

• Flusso parallelo:I due fluidi entrano dalla stessa estremità dello scambiatore di calore e viaggiano in parallelo prima di uscire insieme
• Controflusso:I fluidi entrano dai lati opposti dello scambiatore di calore e viaggiano attraverso il sistema in direzioni opposte. Questa è la disposizione del flusso più efficiente, poiché la differenza di temperatura media tra i fluidi rimane più elevata in tutto il sistema
• Flusso-incrociato:In questa forma di scambiatore di calore, i fluidi viaggiano perpendicolarmente (ad angolo retto) tra loro

Oltre alla disposizione del flusso, gli scambiatori di calore possono essere classificati per tipo, in base alla progettazione fisica dello scambiatore di calore:

• Doppio tubo:Questo è il tipo più semplice di scambiatore di calore utilizzato dall'industria. Come suggerisce il nome, sono costituiti da due tubi attraverso i quali possono scorrere i fluidi. La configurazione del flusso può essere parallela o controcorrente, essendo più efficiente il controflusso mentre è preferibile il flusso parallelo nel caso in cui i due fluidi debbano essere portati alla stessa temperatura. Questi scambiatori di calore sono facili ed economici da progettare e mantenere, ma hanno un livello di efficienza relativamente basso rispetto ad altri modelli
• Guscio e tubo:Gli scambiatori di calore a fascio tubiero utilizzano una serie di tubi metallici attraverso i quali scorre un fluido, circondati da un guscio sigillato attraverso il quale scorre il secondo fluido. Questo tipo di scambiatore di calore funziona con tutti i tipi di flusso: parallelo, controcorrente e incrociato- e può essere trovato nelle locomotive a vapore. I deflettori vengono utilizzati per dirigere il flusso del fluido, indurre vibrazioni nel fluido e supportare i tubi, mentre le alette possono essere utilizzate anche con tecnologie di raffreddamento ad aria- (come gli inter-refrigeratori dei motori a combustione) per aumentare l'area di trasferimento del calore
• Piastra/Aletta:Questo tipo di scambiatore di calore utilizza pile di sottili piastre metalliche tenute separate da alette per formare livelli, proprio come i pavimenti di un edificio. Tuttavia, ciascuno di questi "pavimenti" è autonomo-e separato da quello superiore o inferiore, creando una serie sigillata di tubi attraverso i quali possono scorrere i fluidi. Si crea così un'ampia superficie in grado di scambiare rapidamente il calore garantendo allo stesso tempo il flusso del fluido su tutta la superficie di scambio termico, prevenendo ristagni e accumuli di fluido. Le piastre possono essere realizzate in diverse dimensioni, profondità e forme, tra cui piastre ondulate, piastra e telaio, piastra e guscio, oppure piastre a spirale. Un'elevata turbolenza del flusso tra le piastre crea un maggiore trasferimento di calore e una diminuzione della pressione. Questo tipo di scambiatore di calore viene utilizzato in applicazioni quali forni a gas e caldaie.
• Raffreddato ad aria:Questo tipo di scambiatore di calore si trova comunemente nei veicoli e in altre applicazioni in movimento dove non è disponibile acqua fredda. Invece di due liquidi, i sistemi raffreddati ad aria utilizzano l'aria fresca proveniente da una ventola o un flusso d'aria causato dal movimento del veicolo stesso.
• Condensatori, Caldaie ed Evaporatori:Questo tipo di scambio termico merita una menzione speciale in quanto funziona in modo leggermente diverso da quelli già descritti. Invece di inserire due fluidi (caldo e freddo), questi utilizzano il raffreddamento e la condensazione di un gas caldo in forma liquida (e viceversa) per creare un ciclo di trasferimento di calore. Questo è il processo utilizzato dalle turbine a vapore e dai generatori di vapore, che utilizzano il ciclo di vaporizzazione dell'acqua in vapore e il suo successivo raffreddamento in un liquido.
• Recuperatori:Un recuperatore è uno scambiatore di calore progettato per catturare il calore che altrimenti andrebbe perso, come il calore scaricato da un edificio. L'aria calda viene diretta fuori attraverso un canale accanto a un canale separato in entrata di fluido freddo per creare un controflusso. Ecco come funziona un sistema di ventilazione-a recupero di calore, che consente di ventilare un edificio con aria fresca senza perdere tutto il calore derivante dall'aria più calda in uscita
• Rigeneratori:Questo tipo di scambiatori di calore consentono ai fluidi in entrata e in uscita di muoversi attraverso lo stesso canale in direzioni opposte in tempi diversi. Quando il fluido caldo esce cede parte del suo calore, mentre il fluido freddo entra assorbe parte del calore residuo rimasto lì. Questo tipo di scambio di calore viene utilizzato in un motore Stirling, che utilizza un pistone per spingere il gas intrappolato avanti e indietro tra una fonte di calore (come un fuoco) e un'area più fresca, o "lavandino", dove il calore viene perso. Questo tipo di scambiatore di calore riduce la perdita di calore in un sistema "rigenerando" il calore.

Gli scambiatori di calore sono utilizzati per un'ampia gamma di applicazioni sia nell'uso industriale che quotidiano.

Sebbene gli scambiatori di calore siano disponibili in una gamma di design e sistemi di flusso diversi, funzionano tutti in modo simile; consentendo il contatto termico tra un fluido più caldo e uno più freddo (senza effettivamente mescolarsi), in modo che i due fluidi si riscaldino o si raffreddino a vicenda-di conseguenza.

Ciò migliora l’efficienza dei veicoli e di altre unità, oltre a risparmiare sui costi e a ridurre il consumo di energia (e qualsiasi impatto ambientale associato).

Raggiungi i piani HX

Gli scenari applicativi dello scambiatore di calore (come la lavorazione alimentare, l'industria petrolchimica, il raffreddamento elettrico) e le caratteristiche del mezzo (corrosività/viscosità/temperatura) variano, quindi anche il piano delle specifiche verrà adattato in modo esclusivo-facci sapere le tue esigenze e ti forniremo parametri e preventivi mirati.

E-mail:global@gneesteels.com