Cos’è uno scambiatore di calore?

Con il nome di scambiatori di calore sono indicate le apparecchiature nelle quali il calore è trasferito da un fluido “caldo”, ovvero a temperatura più alta, ad un fluido “freddo”, ovvero a temperatura più bassa. Nella maggior parte delle applicazioni sono utilizzati scambiatori “a superficie” nei quali i due fluidi sono separati da una sottile parete metallica. In tali scambiatori, nell’ipotesi di regime stazionario, il flusso termico incontra almeno tre resistenze in serie : una convettiva tra fluido caldo e parete, una conduttiva della parete e un’altra convettiva tra parete e fluido freddo. Schematizziamo per semplicità il principio di funzionamento degli scambiatori nel seguente modo:

il fluido A, viene detto prodotto e il fluido B viene detto fluido di servizio.

Distingueremo inoltre scambiatori con e senza contatto tra i due fluidi. Nel primo caso se il fluido di servizio è “sporco” rispetto al prodotto, sarà necessario evitare il contatto tra i due. Nel secondo caso se il fluido di servizio non presenta problemi di impurità rispetto al prodotto, A e B possono venire in contatto. E’ il caso per es. del processo di pastorizzazione del latte, in cui il vapore ad alta temperatura si mischia al latte per sterilizzarlo, per poi separarsi nuovamente, una volta finito il processo.

Per quanto riguarda gli scambiatori che evitano il contatto tra i due fluidi, studieremo il modello più semplice ed immediato: lo scambiatore tubo in tubo, la cui trattazione rimandiamo al terzo paragrafo.

Diamo ora alcuni cenni qualitativi a riguardo degli scambiatori a piastre, che sono tra le tipologie più utilizzate nel campo industriale.

2. SCAMBIATORI A PIASTRE.

Tra gli scambiatori di calore ad un solo passaggio sono molto utilizzati gli scambiatori a piastre grazie alle interessanti caratteristiche che li contraddistinguono.

I componenti principali sono il telaio e le piastre di scambio termico. Il telaio è costituito dalle barre di supporto e da due lastre di contenimento in acciaio, una fissa e l’altra mobile. Le piastre di scambio termico, invece, sono in numero variabile secondo le esigenze termiche. Si noti che, grazie alla sua particolare concezione, lo scambiatore può essere smontato e rimontato semplicemente agendo sui tiranti di serraggio del “pacco” piastre.

Lo schema illustrato sopra spiega il funzionamento degli scambiatori a piastra nella disposizione in controcorrente adottata nella quasi totalità dei casi pratici.

Le piastre, corrugate per aumentare lo scambio termico, presentano quattro aperture circolari che vanno a formare i condotti di mandata e di ripresa dei due fluidi. La presenza di guarnizioni opportunamente disposte nel pacco, permette il passaggio alternato dei due fluidi negli spazi tra le piastre.

3. SCAMBIATORI DEL TIPO TUBO IN TUBO: CASO EQUICORRENTE.

Tale tipo di scambiatore di calore è formato da due tubi concentrici, in cui passano due fluidi a temperature diverse. Il tubo più interno e’ costituito da materiali ad alta conducibilità termica, che consentono lo scambio più alto possibile di calore tra i due fluidi. Per ragioni di ingombro, gli scambiatori a tubi concentrici non possono avere superfici di scambio superiori a qualche metro quadrato: da qui la loro limitatezza di impiego alla fascia più bassa dei flussi termici da scambiare. Il tubo più interno e’ solitamente fabbricato con materiali ad alta conducibilità termica al fine di permettere il maggior scambio di calore tra i due fluidi. In campo industriale il materiale più impiegato questo uso e’ senza dubbio l’acciaio che offre un’alta resistenza all’usura; esso implica inoltre dei procedimenti di pulizia molto elementari della parete interna del tubo. Per quanto riguarda il tubo esterno vengono utilizzati materiali a bassa conducibilità termica per avere una minore dispersione di calore.

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