Scambiatori di calore: introduzione, tipologie e analisi termica

Scambiatori di Calore

Introduzione agli Scambiatori di Calore

Si definisce scambiatore di calore un dispositivo che consenta lo scambio di energia termica fra un fluido a temperatura maggiore ed un fluido a temperatura minore. Gli scambiatori di calore sono tra i componenti termodinamici maggiormente diffusi e sono utilizzati in una vastissima gamma di applicazioni, dalla scala minima (ad es. batterie di scambio termico negli impianti di climatizzazione) fino alla massima (ad es. batterie di scambio termico in impianti motori, operatori ed industriali in genere).

Lo studio degli scambiatori di calore è, in generale, molto complesso in quanto richiede conoscenze multidisciplinari che includono: termodinamica, trasmissione del calore e fluidodinamica. Inoltre, unitamente a considerazioni di carattere termodinamico, la progettazione completa di uno scambiatore di calore richiede l'implementazione di un numero notevole di teorie quali: l'analisi dell'ingombro, del peso, della resistenza meccanica e dei costi dello scambiatore stesso.

In questa sede verranno discusse esclusivamente le modalità attraverso le quali viene realizzata la progettazione termica dello scambiatore di calore, rimandando a trattazioni più specialistiche le analisi di resistenza strutturale e di tipo economico.

Tipologie di Scambiatori di Calore

È possibile realizzare un processo di scambio termico fra due fluidi secondo numerosissime modalità; nella pratica, infatti, esistono numerose tipologie di scambiatori di calore, classificabili in funzione di:

• Materiali costruttivi
• Tipologia dei fluidi evolventi
• Disegno termo fluidodinamico

Il metodo più semplice con cui è possibile realizzare uno scambio termico fra due fluidi è quello di utilizzare due tubazioni coassiali, facendo scorrere il primo fluido nel tubo interno ed il secondo nella zona anulare compresa fra il tubo interno ed il tubo esterno (Figura 1).

Figura 1 - Tubi coassiali

Tale sistema evidenzia due possibili volumi di controllo:

• Fluido che evolve nel tubo interno (zona non tratteggiata nelle figure successive)
• Fluido che evolve nella zona anulare compresa fra il tubo interno ed il tubo esterno (zona tratteggiata nelle figure successive)

2Il processo di scambio termico è estremamente semplice: sezione per sezione, esisterà sempre una certa differenza di temperatura tra il fluido che si trova a temperatura maggiore (detto fluido caldo) ed il fluido a temperatura minore (detto fluido freddo) che consentirà il trasferimento di energia termica dal primo verso il secondo.

Uno scambiatore di calore di questo tipo è detto a tubi coassiali o tubo in tubo. Per questa tipologia di scambiatore, possono verificarsi due diverse condizioni di flusso: una prima in cui entrambi i fluidi scorrono nella stessa direzione e stesso verso (equicorrente) ed una seconda (Figura 2) in cui i fluidi hanno la stessa direzione ma verso opposto (controcorrente).

4 Figura 2- Scambiatore a tubi coassiali equicorrente

Figura3 - Scambiatore a tubi coassiali controcorrente

Lo schema dello scambiatore tubo in tubo è sicuramente molto semplice ma nella pratica si realizza solo in rare applicazioni, in quanto tale tipologia di scambiatore richiede ingombri specifici (Area di scambio per unità di potenza termica scambiata) molto elevati. Molto più diffuso, invece, è lo scambiatore a tubi e mantello, in cui un fascio tubiero è installato all'interno di un recipiente. Il fluido caldo (o freddo) scorre all'interno dei tubi mentre quello freddo (o caldo) evolve fra la superficie interna del recipiente e la superficie esterna delle tubazioni (Figura 4). Sono costituiti da 3 parti fondamentali: testata di ingresso; fascio tubiero e mantello (corpo centrale); testata di uscita. La testata di ingresso (dove è presente la "tube inlet" ) ha il compito di indirizzare il fluido nei tubi (in maniera omogenea, cercando quindi di far investire dal fluido tutti i tubi). Per questo motivo non è del tutto semicircolare ma è leggermente allungata consentendo al fluido di distribuirsi in ogni tubo. La testata di ingresso è legata ad una piastra provvista di una serie di fori (che alloggiano le estremità dei tubi) solitamente disposti lungo una maglia ben precisa. Le maglie più elementari sono quelle triangolari e quadrate che offrono due diversi vantaggi. La triangolare assicura una maggiore turbolenza del fluido, la quadrata garantisce una più semplice pulizia. La distanza tra tubo e tubo viene detta "passo" (passo triangolare nel caso della maglia triangolare o passo quadrato nel caso della maglia quadrata) e in media è pari a 1,25 - 1,50 volte il diametro esterno dei tubi. Lo scambiatore è generalmente provvisto di due piastre tubiere, disposte all'estremità dei tubi del fascio, ma in situazioni particolari se ne utilizza una sola. Nel corpo centrale sono disposti i tubi all'interno di un involucro detto Mantello (shell). Sono generalmente presenti dei diaframmi (buffels) che migliorano la turbolenza del fluido che passa all'esterno dei tubi (Figura 5). Per evitare l'uso di scambiatori di dimensioni eccessive si può far passare il fluido più volte lato tubi e/o lato mantello. Volendo far passare due volte lato tubi, basterà inserire un diaframma orizzontale nella testata di ingresso (in questo modo si assicura comunque un'elevata turbolenza del fluido quindi un 3buon coefficiente di scambio termico), così come mostrato in Figura -6. Si possono avere anche più di due passaggi lato tubi (al massimo 8 ) e generalmente al massimo 4 passaggi lato mantello. Ricordiamo che unicamente nel caso 2 - 2 (2 passaggi lato tubi e 2 passaggi lato mantello) i 2 fluidi sono sempre in controcorrente, negli altri casi bisognerà tenere conto che i fluidi non scambieranno calore in controcorrente.

Shell Connections Tubesheet 2 Tube Bundle Baffles Mounting Gaskets Head Figura 4 - Scambiatore Tubi e mantello

Tube Outlet Shell Inlet Baffles + Shell Outlet Tube Inlet Figura 5 - Schema scambiatore tubi e mantello

Straight-tube heat exchanger (two pass tube-side) tube-side shell-side fluid in fluid in tube sheet tube bundle with straight tubes plenum inlet plenum outlet 1 shell tube sheet baffles shell-side fluid out tube-side fluid out Figura -6 - Schema scambiatore tubi e mantello - due passaggi lato tubi

Gli scambiatori tubo e mantello sono molto utilizzati nel caso in cui entrambi i fluidi si trovino in fase liquida. Nel caso in cui, almeno uno dei due fluidi si trovi nella fase aeriforme risulterebbe molto difficile utilizzare una siffatta tipologia di scambiatore, che richiederebbe aree di scambio e quindi ingombri 4decisamente elevati. È noto infatti che il coefficiente di scambio termico convettivo di un aeriforme è di ordini di grandezza inferiore a quello di un liquido, determinando quindi notevoli incrementi delle superfici di scambio, a parità di potenza termica scambiata.

Per ovviare a questo problema (aree di scambio molto elevate), per qualsiasi tipologia di scambiatore di calore, compreso il tipo tubo in tubo, si è soliti alettare le superfici di scambio in maniera tale, a parità di ingombro dello scambiatore, da aumentare l'effettiva area di scambio. Questa tecnica risulta particolarmente utile nel caso di scambiatori liquido - areiforme in cui il coefficiente di scambio termico lato liquido risulta molto più elevato rispetto a quello lato aeriforme. In questo caso, si aletta la sola superficie di scambio lato aeriforme, in modo tale da compensare il minor coefficiente di scambio termico con una maggiore area di scambio.

Figura 7- Tubo alettato esternamente

Sempre facendo riferimento agli scambiatori a tubi e mantello, nel caso in cui i due fluidi si muovano secondo direzioni fra loro ortogonali, si dice che lo scambiatore è a flussi incrociati (Figura-8). In questo caso, il fluido che scorre all'interno dei tubi è detto non mescolato, quello che scorre all'esterno è detto mescolato, con ovvio significato dei termini. Ovviamente, per il fluido mescolato, per effetto del mescolamento, il gradiente di temperatura trasversale risulta trascurabile; ciò ovviamente non accade nel caso di flusso non mescolato.

-0 -0 -0 Figura-8 - Schema scambiatore a flussi incrociati

Esiste infine la tipologia degli scambiatori a piastre alettate, detti anche compatti, che realizzano elevatissimi valori del rapporto tra l'area di scambio ed il volume. Sono costituiti da una serie di piastre alettate sulle cui superfici vengono ricavati i canali di flusso che consentono il passaggio dei fluidi caldo e freddo (Figura 9 o Figura 10). Ne esistono svariate tipologie in funzione della geometria e delle tipologia di piastre. Essi sono particolarmente utili nel caso in cui entrambi i fluidi evolventi si trovino allo stato aeriforme, 5in quanto le elevatissime aree di scambio (per unità di volume) compensano i modesti coefficienti di scambio termico degli aeriformi.

Support Inspection Column Cover Roller Assembly Movable Cover Gasket Carrying Bar Plate Pack Stud Bolt Support Foot Fixed Cover Guide Bar Tightening Nut Lock Washer Tightening Bol Bearing Box Frame Foot Shroud Figura 9 - Schema scambiatore di calore a piastre alettate

Gli scambiatori di calore a piastre alettate sono molto utilizzati in una vastissima gamma di applicazioni, dagli scambiatori degli impianti termici e frigoriferi, fino ai grossi sistemi di scambio degli impianti industriali. I canaletti di flusso sono ricavati mediante scanalature sulle superfici delle piastre stesse.

Figura 10- Schema scambiatore di calore a piastre alettate a flussi incrociati

Analisi Termodinamica degli Scambiatori

L'analisi termodinamica può essere condotta a vari livelli di dettaglio: è possibile fare considerazioni del tutto generali che prescindono dalla natura del fluido e dalla tipologia di scambiatore di calore, oppure sviluppare equazioni di progetto, implementando la geometria dello scambiatore di calore e le equazioni di stato dei fluidi in esso evolventi. La trattazione di seguito descritta partirà da considerazioni ed ipotesi del tutto generali, per poi successivamente analizzare nel dettaglio le caratteristiche dei fluidi e la geometria dello scambiatore di calore.

Si considerino valide le seguenti ipotesi generali:

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