Scambiatore di calore, cos’è?

Uno scambiatore di calore è un impianto nel quale il calore è trasferito da un fluido “caldo”, ad un fluido “freddo”. L’obiettivo è quello di risparmiare più energia possibile dai gas di scarico.

Infatti, è possibile trovare gli scambiatori di calore anche nei motori delle auto e delle navi per un efficiente risparmio di energia.

Non solo, gli scambiatori di calore sono dispositivi molto comuni che si possono trovare anche in casa nei frigoriferi, stufe e condizionatori!

Ecco qualcosa in più da sapere sugli scambiatori di calore:

Cos’è uno scambiatore di calore?

La tradizionale caldaia o il riscaldamento presente a casa tua, funziona bruciando del gas e scaldando l’acqua che scorre in una rete di tubi. Il gas brucia mentre l’acqua attraverso i tubi assorbe energia termica e si riscalda.

Questo è uno scambiatore di calore: getti di gas si raffreddano e l’acqua si riscalda.

Gli scambiatori di calore sono dei dispositivi che consentono ad un fluido di passare calore ad un secondo fluido senza mescolarli o farli entrare in contatto.

Il principio essenziale di un scambiatore di calore è quello di trasferire il calore senza trasferire il fluido che trasporta il calore.

Leggi anche: Scambiatore di calore: l’incrocio di temperatura e i passaggi principali

A cosa serve uno scambiatore di calore?

Lo scopo degli scambiatore di calore è quello di riscaldare o raffreddare gli edifici, far lavorare i motori delle macchine in modo efficiente, garantire il funzionamento di grandi impianti.

Nelle centrali elettriche o nei motori i gas di scarico contengono spesso calore che si dirige inutilmente verso l’esterno: questo è un inutile spreco di energia facilmente riducibile grazie allo scambiatore di calore, posizionandolo nei condotti di scarico e nelle ciminiere.

Sono utili anche per riscaldare l’ufficio oppure per raffreddare il motore diesel degli autobus con il recupero dell’aria esterna che viene pompata fredda all’interno.

Le tipologie di scambiatori di calore:

Gli scambiatori di calore funzionano trasferendo energia termica tra due fluidi a temperature diverse; possono essere di diverse tipologie e si classificano in base a compattezza, profilo termico, tipologia di processo e modalità di contatto tra le correnti.

La modalità di contatto tra le correnti più utilizzata è quella a superficie, nella quale i fluidi assorbono calore attraverso la superficie dalla quale sono separati.

Proprio a questa tipologia, appartengono le due tipologie più comuni: lo scambiatore a fascio tubiero e lo scambiatore a piastra.

Leggi anche: Le tipologie di scambiatore di calore di Officine Varisco.

Scambiatore di calore a fascio tubiero:

In questa tipologia di scambiatori di calori un fluido scorre tramite i tubi metallici, e il secondo fluido passa tramite un involucro sigillato che li circonda.

Un fluido passa dentro un fascio di tubi mentre l’altro nel volume libero tra i tubi e il mantello.

Degli appositi setti verticali, chiamati anche diaframmi, costringono il fluido che scorre all’interno del mantello ad assumere un moto sinuoso che potenzia lo scambio termico di tipo connettivo:

I due fluidi possono andare: nella stessa direzione, in direzioni opposte oppure ad angolo retto. Un esempio sono le caldaie nelle locomotive.

Scambiatori di calore a piastre/alette:

Questi scambiatori sono formati da lastre sottili di metallo o da pinne dotate di una grande area di superficie, consentendogli di scambiare il calore più velocemente possibile.

Le piastre sono dotate di fori per il passaggio dei due fluidi tra i quali avviene il trasferimento di calore.

Ogni piastra dello scambiatore è a contatto da un lato con il fluido caldo e dall’altro lato con il fluido freddo, in maniera alternata; una guarnizione garantisce la tenuta dei canali tra le piastre e permette di distribuire i fluidi all’interno dei canali tra le piastre, alternativamente:

Un esempio sono le caldaie a gas.

Le differenze fra scambiatore di calore a fascio tubiero e scambiatore di calore a piastre.

“Qual è allora lo scambiatore più adatto alle mie esigenze?”

La risposta è: dipende!

Ad esempio, i principali punti di forza dello scambiatore a piastra sono l’ingombro ridotto, l’elevato coefficiente di scambio termico e la flessibilità, data dalla possibilità di aggiungere facilmente nuove piastre.

Dall’altra parte la presenza di guarnizioni limita, di solito, il campo di impiego a pressioni minori di 25 bar e a temperature inferiori a 250°C; esiste inoltre un limite tecnico sulle dimensioni raggiungibili dalle piastre.

Infine, l’elevata turbolenza provoca un alto tasso di erosione delle superfici dello scambiatore a piastra.

Lo scambiatore a fascio tubiero, invece, ha dimensioni importanti: è molto robusto e la sua forma lo rende adatto ad applicazioni in pressione.

Per le sue caratteristiche può avere superfici di scambio variabili tra 0,1 m^2 a 100000 m^2 e può lavorare sia in condizioni di vuoto spinto sia oltre i 1000 bar, con temperature che possono variare dalla criogenia (sotto i -150°) fino ad arrivare ai 1400 K.