Scambio termico

Gli argomenti trattati in questo capitolo potranno apparire elementari, ma ogni tanto, vale la pena di ricordare i principi fondamentali che stanno alla base del trasferimento di calore. Secondo le leggi naturali, l’energia presente in un sistema, tende sempre all’equilibrio ed all’uniformità. Fino a quando esisterà una differenza di temperatura, il calore abbandonerà il corpo o il liquido caldo per essere assorbito dall’ambiente freddo.

Il principio di funzionamento degli scambiatori si basa su questa propensione all’uniformità delle temperature. Negli scambiatori di calore a piastre, il calore attraversa facilmente le sottili superfici di scambio, che separano il fluido caldo da quello freddo. Questo permette di riscaldare e/o raffreddare un liquido o un gas con un minimo consumo di energia. La differenza di temperature costituisce la forza motrice degli scambiatori. Lo scambio termico tra un liquido ed un altro si basa sulle seguenti regole fondamentali:

  • il calore si propaga sempre dal fluido caldo a quello freddo
  • è indispensabile una differenza di temperatura tra i fluidi
  • il calore, sviluppato dal fluido caldo è equilibrato dal calore assorbito dal fluido freddo, fatta correzione del calore sviluppato o assorbito, per dispersione, dall’ambiente.


La trasmissione di calore

Gli scambiatori di calore sono degli apparecchi statici che trasmettono in continuazione calore da un fluido ad un altro, senza alcun apporto d’energia durante il processo. Essenzialmente si possono suddividere in due categorie:

  • Scambiatori diretti: dove i fluidi coinvolti nello scambio termico vengono prima portati a contatto e poi separati; ciò presuppone che i due fluidi siano immiscibili. Un esempio è rappresentato dalle torri di raffreddamento, dove l’acqua è raffreddata per mezzo del contatto diretto con l’aria.
  • Scambiatori indiretti: o a superficie, in questo caso i fluidi sono separati da una parete, attraverso la quale avviene lo scambio termico.

Il calore si propaga attraverso il corpo in tre modi:

  • Per radiazione: l’energia si trasmette per radiazione elettromagnetica. E’ il caso, per esempio, del riscaldamento della terra da parte del sole.
    • Per conduttività : l’energia si trasmette fra i corpi solidi oppure liquidi immobili per propagazione di energia vibratoria degli atomi o delle molecole.
    • Per convezione: l’energia si trasmette miscelando una parte di un fluido con un’altra. Bisogna distinguere:

à  la convezione naturale, dove il movimento di un fluido dipende totalmente dalle differenze di densità, che a loro volta dipendono dalle differenze di temperatura.

à  la convenzione indotta, dove il movimento del fluido è il risultato (totale o parziale) di un’influenza esterna, come la turbolenza, che si crea in un liquido quando viene pompato.

I parametri di calcolo
Gli scambiatori di calore a piastre saldobrasati della TEMPCO, sono degli scambiatori del tipo indiretto, dove quindi il calore è trasferito per conduzione (attraverso la parete) e per convezione (dal fluido verso e dalla parete). Generalmente per le applicazioni di questo tipo di scambiatori, lo scambio termico per irraggiamento è insignificante. Esistono anche altri tipi di scambiatori di calore indiretti, quali: i fasci tubieri ed i coassiali, ma ormai nella maggior parte dei casi, i modelli più vantaggiosi sono gli scambiatori di calore a piastre saldobrasati. Per risolvere un problema termico bisogna conoscere alcuni parametri fondamentali, mentre altri possono essere calcolati con l’aiuto di questi ultimi. I dati essenziali sono:

 

  • la natura dei fluidi (primario e secondario) = Calore specifico = Csp
  • il carico termico = Capacità termica = Q
  • le masse dei due circuiti = Portata = M
  • le temperature d’ingresso e d’uscita dei fluidi = Differenza

temperature = ΔT

  • le perdite di carico massime ammesse
  • la pressione e la temperatura massima di processo

In un sistema senza cambiamento di fase, il trasferimento di calore è dato dalla seguente equazione:

 

 

L’esercizio termico è determinato dalle temperature d’ ingresso e d’ uscita dei due fluidi che scorrono all’interno dello scambiatore.

T1 =            temperatura d’ingresso lato caldo

T2 =            temperatura d’uscita lato caldo

T3 =            temperatura d’ingresso lato freddo
T4 =            temperatura d’uscita lato freddo

Lunghezza termica (N. U. T.)

Si definisce nella pratica “lunghezza termica” o Numero di Unità Termiche, il rapporto tra la differenza di temperatura tra entrata e uscita di un fluido e la differenza media logaritmica tra le temperature dei due fluidi:

Ogni scambiatore di calore ha una Lunghezza Termica tipica, che dipende dalle sue caratteristiche costruttive. Più alto è questo valore, maggiore risulta la capacità di uno scambiatore di avvicinare la temperatura d’uscita del fluido secondario a quella in entrata del fluido primario. In uno scambiatore a piastre, la Lunghezza Termica è tanto più elevata quanto maggiore è il rapporto tra l’altezza della piastra e la sua larghezza. Altro importante fattore che modifica la proprietà specifica di un certo modello di piastra è la conformazione della superficie, cioè la geometria della sua corrugazione. In altre parole, per avere una buona efficienza non basta che la circuitazione sia in contro corrente, ma bisogna che il progetto costruttivo dello scambiatore di calore a piastre saldobrasato, tenga conto della esigenza che il fluido primario che scorre all’interno dei canali abbia il tempo sufficiente a scambiare calore, con il fluido secondario che circola nei canali adiacenti, al livello di temperatura desiderato. Naturalmente questo principio deve essere considerato in modo generico e in ogni caso, conciliabile con i valori di perdite di carico che ne conseguono.

Il principio di funzionamento degli scambiatori a piastre saldobrasati è molto semplice e si basa sulla differenza di temperatura tra i due fluidi che circolano al loro interno o meglio al principio dell’uniformità delle temperature che regola la cessione di calore da fluido più caldo a quello più freddo. Nei BPHE’s, il calore attraversa facilmente le sottili superfici di scambio rappresentate dalle piastre, che separano il fluido caldo da quello freddo. Questo permette di riscaldare o raffreddare un liquido o un gas con un minimo consumo d’energia. La differenza di temperature costituisce la forza motrice degli scambiatori. Grazie alle particolari corrugazioni delle piastre a spina di pesce >>>, è possibile ottenere: elevati coefficienti di scambio termico con piccole portate e/o basse perdite di carico con grandi portate. L’alta turbolenza e la superficie speculare delle piastre riducono il rischio dello sporcamento.