Negli scambiatori di calore lo scambio avviene per contatto indiretto fra due fluidi a differenti temperature, separati da una parete solida, di solito metallica. Lo scambio ha un limite: il tubo ricevente il calore non avrà mai una temperatura uguale, ma inferiore a quella del tubo donante. Il flusso dei 2 fluidi può procedere lungo lo stesso verso (equicorrente) o su versi opposti (controcorrente).
Conduzione e convezione negli scambiatori
Il calore trasferito per convezione dal liquido rosso allo scambiatore beige e dallo scambiatore al liquido blu è dato dall’equazione di Newton del raffreddamento .
Il calore trasferito per conduzione che attraversa lo scambiatore beige è dato dall’equazione di Fourier per la superficie cilindrica.
Lo scambio termico dipende da:
1) coefficiente di scambio termico K (W/m^2 °C) che misura la resistenza al trasferimento del calore (isolamento),
2) superficie di scambio termico (m^2),
3) LMTD media logaritmica della temperatura.
La superficie di scambio termico mq/mc
Maggiore la superficie e maggiore è lo scambio termico, tuttavia ampie superfici sono poco pratiche, per tale ragione negli scambiatori si considera il rapporto esistente tra superficie volume occupato dallo scambiatore: mq/mc. Tanto maggiore è questo valore, tanto più è compatto lo scambiatore. I radiatori delle automobili hanno rapporto superficie/volume pari a 1.000 mq/mc, gli scambiatori ceramici per le turbine a gas degli impianti di produzione di energia elettrica semplici 6.000 mq/mc, i polmoni umani 20.000 mq/mc.
LMTD media logaritmica della temperatura
La temperatura dei fluidi caldi e freddi varia all’interno dello scambiatore di calore. La temperatura di uscita del fluido freddo non può mai essere uguale alla temperatura di entrata del fluido caldo
Si può fare la media aritmetica: delta T med = 1/2 (delta T1 – delta T2)
Sperimentalmente si osserva che il risultato è abbastanza corretto finché la differenza tra il delta T1 e il delta T2 non supera il 40 %. Se si supera il 40% si sovrastima la potenza termica scambiata tra i due fluidi, per cui si utilizza la media logaritmica.
La media logaritmica è una temperatura.
A parità delle altre condizioni, più alto è il valore di media logaritmica, più piccolo sarà lo scambiatore.
La lunghezza termica
La lunghezza termica NUT è la difficoltà a raggiungere l’equilibrio termico. NUT alto scambia meno di un NUT basso.
La NUT è la lunghezza propria di ogni scambiatore.
La NUT è il rapporto fra la differenza termica di un circuito e la media logaritmica della temperatura LMTD.
Il circuito caldo (quello della caldaia) ha delta 20 (80-60), il circuito freddo ( quello dei radiatori) ha delta 13 (70-57).
La lunghezza termica della caldaia: 20 / 5,8 = 3,4;
quella dei radiatori: 13 / 5,8 = 2,4.
Resistenza termica da incrostazioni
Nei tubi si possono depositare sali di calcio carbonato o di ruggine che aumentano la resistenza termica e quindi riducono il trasferimento del calore.
Tipologie di scambiatori
Il disegno mostra uno scambiatore a doppio tubo, tubo in tubo, pipe in pipe è il modello più semplice di scambiatore, può essere equicorrente o controcorrente.
In beige vediamo il conduttore, esternamente la spessa riga nera è l’isolamento.
Lo scambiatore più diffuso è a piastre, ha il massimo coefficiente di scambio, poi abbiamo a fascio tubiero per gestire grandi potenze e grandi portate e a spirale per fluidi sporchi.
| spirale | fascio tubiero | piastre | |
| Coeff. scambio termico K (W/m^2 °C) | 1.000-1.500 | 2.000-2.500 | 4.000-8.000 |
| Range lunghezza termica (max) | 1,5 | 3 | 10 |