Scambiatori di calore

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Cos’è uno scambiatore di calore?

Uno scambiatore di calore è un apparecchio chimico dove avviene lo scambio di energia termica di un fluido termovettore con altri aventi temperatura diverse.

Leggi: scambiatori a piastre

Dove sono impiegati gli scambiatori di calore?

Gli scambiatori di calore sono impiegati nell’ambito industriale ai fini della Termoregolazione industriale di processo, ma esistono anche esempi di scambiatori di calore che si trovano anche nella vita quotidiana come il radiatore delle automobili e il calorifero per il riscaldamento domestico e nella caldaia murale, il condizionatore e lo scaldabagno elettrico.

La storia degli scambiatori di calore

I romani, utilizzavano gli scambiatori di calore, così come li intendiamo noi, per riscaldare l’acqua delle Terme romane. Inizialmente funzionava mediante i fumi di combustione della legna a contatto con di lastre di pietra sul cui lato opposto era fatta passare l’acqua da scaldare.

In tempi successivi i fumi sono stati fatti passare in canali praticati sempre nella pietra, realizzando così un rudimentale “fascio tubiero”. In tutti questi casi, però, mancava il contenimento del fluido freddo (l’acqua) e quindi la definizione di scambiatore è discutibile.

Leggi: scambiatore di calore a fascio tubiero

Quando nasce il primo scambiatore di calore della storia?

Dal XVIII secolo è stata introdotta la Caldaia a tubi di fumo in cui, oltre al calore radiante del focolare, si sfrutta il calore sensibile dei fumi, e sono stati realizzati i condensatori, parte essenziale del motore a vapore, sin dalla nascita configurati come fasci tubieri. Nei decenni successivi è stata introdotta la caldaia a tubi d’acqua, più efficiente.

Verso gli anni 1930 hanno iniziato a diffondersi le superfici piane, quelle che oggi si impiega nello scambiatore a piastre ed scambiatore a spirale, lo scambiatore a lamelle].

Il primo scambiatore a piastre fu introdotto nel 1923 da Richard Seligman, fondatore della APV International. A partire dagli anni 1930 si diffondono gli scambiatore a spirale, impiegati per la prima volta in Svezia nell’ambito dell’industria cartiera. Al 1939 risale la fondazione della Tubular Exchanger Manufacturers’ Association (TEMA), che cura la pubblicazione di norme relative alla classificazione, dimensionamento e costruzione degli scambiatori a fascio tubiero e mantello.

Nel 1942 viene introdotto il metodo ε-NTU (utilizzato per stimare l’efficienza termica di uno scambiatore) da London e Seban.

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Modalità di contatto tra le correnti

In base al contatto tra corrente, gli scambiatori possono essere a:

Contatto diretto: se le interfacce dei fluidi che scambiano calore sono direttamente a contatto tra loro come nello scambio di calore tra un liquido e un gas qualunque o tra un liquido e il suo vapore come la torre di raffreddamento e lo scambiatore a fiamma sommersa;

Scambiatore a miscela: mediante la miscelazione dei fluidi, che si portano alla stessa temperatura;

Contatto indiretto: se i fluidi non vengono a diretto contatto tra loro; nel caso degli scambiatori a superficie, in cui i due fluidi sono separati da una superficie che è attraversata dal flusso termico;

Scambiatore a superficie: sono i più comunemente utilizzati. Le correnti assorbono il calore dalle superfici con cui sono separate. In uno scambiatore a superficie si riconoscono due compartimenti o lati, al cui interno scorrono i fluidi;

Irraggiamento diretto: il calore viene fornito sotto forma di energia radiante (termosifone, stufetta elettrica, salina marina).

Applicazioni in ambito industriale

Nell’ambito industriale o automotive, gli scambiatori di calore possono essere utilizzati per:

  • il raffreddamento o il riscaldamento di correnti fluide;
  • svolgere cambiamenti di stato, tra cui: condensazione, evaporazione e cristallizzazione; spesso questi cambiamenti di stato sono svolti allo scopo di separare i componenti di una miscela;
  • sterilizzazione; birrificio, vino
  • pastorizzazione,
  • scambiatori di calore auto

scambiatori di caloreApplicazioni in ambito civile

Un settore dove sono molto utilizzati (soprattutto gli scambiatori a piastre) sono gli impianti di teleriscaldamento dove costituiscono l’interfaccia tra la rete di distribuzione dell’acqua calda o surriscaldata prodotta dalla centrale di quartiere e l’impianto di riscaldamento dell’utente finale.

Altra applicazione è negli impianti di climatizzazione/condizionamento di locali o auto veicoli.

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