Classificazione degli scambiatori di calore per mezzo: Guida per l'ingegneria industriale

La classificazione degli scambiatori di calore per mezzo classifica le apparecchiature in base allo stato fisico (fase) dei fluidi che scambiano energia termica. La capacità termica specifica (c_p) e la conduttività termica (k) dei mezzi determinano direttamente il coefficiente di trasferimento termico complessivo (U) e l'ingombro fisico dell'apparecchiatura. Le quattro principali classificazioni industriali sono scambiatori di calore liquido-liquido, gas-liquido, gas-gas e a cambiamento di fase (bifase).

I sistemi liquido-liquido sono altamente efficienti grazie alla conduttività termica e alla densità naturalmente elevate dei liquidi (come acqua, olio e prodotti chimici liquidi).

Poiché i liquidi offrono eccellenti coefficienti di trasferimento del calore convettivo, questi scambiatori richiedono una superficie (A) significativamente inferiore per trasferire una determinata quantità di calore (Q) rispetto ai sistemi a gas.

• Mezzi comuni: acqua-acqua, olio-acqua, sostanze chimiche-acqua.

• Attrezzatura tipica: scambiatori di calore a piastre e telaio, scambiatori di calore a fascio tubiero (senza alette).

• Applicazioni principali: lavorazione farmaceutica, pastorizzazione di alimenti e bevande, miscelazione chimica e raffreddamento di macchinari a circuito chiuso.

Questa è la classificazione più diffusa sia nell'industria pesante che nelle applicazioni commerciali. Questi sistemi colmano il divario tra un mezzo ad alta efficienza (liquido) e un mezzo a bassa efficienza (gas/aria).

I gas possiedono una conduttività termica estremamente bassa. Per compensare matematicamente lo scarso coefficiente di trasferimento del calore dal lato del gas, gli ingegneri devono aumentare artificialmente la superficie esposta al gas. Ciò si ottiene universalmente aggiungendo superfici estese (alette) all'esterno dei tubi contenenti il ​​liquido.

• Mezzi comuni: aria-acqua, aria-refrigerante, gas di scarico-acqua.

• Attrezzatura tipica: scambiatori di calore raffreddati ad aria (raffreddatori con ventola), radiatori automobilistici, serpentine di raffreddamento HVAC.

• Applicazioni principali: condizionamento dell'aria ambientale, raffreddamento remoto di tubazioni e raffreddamento ad acqua della camicia del motore.

Gli scambiatori di calore gas-gas sono strutturalmente massicci perché entrambi i fluidi hanno scarse proprietà di trasferimento del calore. Richiedono enormi ingombri volumetrici per raggiungere un’efficienza termica accettabile.

Questi sistemi funzionano quasi esclusivamente per recuperare il calore di scarto dai flussi di scarico per preriscaldare l’aria ambiente in entrata, migliorando l’efficienza termodinamica complessiva dell’impianto.

• Mezzi comuni: gas di scarico caldo nell'aria ambiente.

• Attrezzatura tipica: ruote termiche rotanti (rigeneratori), scambiatori di calore a piastre, preriscaldatori d'aria tubolari.

• Applicazioni principali: preriscaldamento dell'aria di caldaie in centrali elettriche, separazione criogenica dell'aria e recupero del calore di forni industriali.

Nei sistemi a cambiamento di fase, uno o entrambi i fluidi subiscono un cambiamento di stato (ebollizione o condensazione) durante lo scambio termico.

Il trasferimento di calore a cambiamento di fase utilizza il calore latente anziché il calore sensibile. Poiché i valori del calore latente (h_{fg}) sono enormi rispetto alle capacità termiche specifiche (c_p), questi scambiatori possono trasferire enormi quantità di energia con gradienti di temperatura minimi e basse portate di massa.

• Mezzi comuni: vapore-acqua (condensazione), refrigerante-aria (evaporazione), vaporizzazione chimica.

• Attrezzatura tipica: condensatori, evaporatori, ribollitori e generatori di vapore.

• Applicazioni principali: cicli Rankine di centrali elettriche a vapore, circuiti di refrigerazione e colonne di distillazione chimica.

La fisica sottostante che detta la progettazione di questi scambiatori si basa sullo stato del mezzo.

Per trasferimenti monofase (calore sensibile) (Liquido-Liquido, Gas-Gas, Gas-Liquido)

Per comprendere il motivo per cui il dimensionamento delle apparecchiature varia in modo così drastico, gli ingegneri fanno riferimento al coefficiente di trasferimento di calore complessivo (U). Valori U più elevati significano apparecchiature più piccole ed efficienti.

D: Perché le alette non vengono quasi mai utilizzate negli scambiatori di calore liquido-liquido?

R: I liquidi possiedono naturalmente un'elevata conduttività termica e elevati coefficienti di trasferimento del calore convettivo. L'aggiunta di alette aumenterebbe marginalmente la superficie ma creerebbe contemporaneamente un massiccio attrito interno, provocando una caduta di pressione inaccettabile (Delta P) che travolgerebbe il sistema di pompaggio senza fornire un beneficio termico significativo.

D: Cos'è uno scambiatore di "calore sensibile" rispetto a uno scambiatore di "calore latente"?

R: Uno scambiatore di calore sensibile modifica la temperatura dei fluidi senza modificarne lo stato fisico (ad esempio, raffreddando l'olio caldo con acqua fredda). Uno scambiatore di calore latente trasferisce energia modificando lo stato del mezzo a temperatura costante (ad esempio, facendo bollire l'acqua liquida in vapore).

D: Quale classificazione media è la più difficile da mantenere?

R: I sistemi a due fasi (cambio di fase), in particolare caldaie ed evaporatori, sono generalmente quelli che richiedono più manutenzione. Il processo di ebollizione dei liquidi spesso lascia dietro di sé solidi e minerali disciolti concentrati, portando a rapide incrostazioni e incrostazioni sulle superfici di trasferimento del calore, che nel tempo degradano gravemente il valore U.