Gli **scambiatori di calore** sono dispositivi fondamentali in molti processi industriali e domestici, progettati per trasferire energia termica tra due fluidi a temperature diverse. A seconda che i due fluidi vengano o meno in contatto fra loro durante il processo di scambio termico, lo scambiatore si definisce a **contatto diretto** o **indiretto**. I più comuni *(quelli di solito denominati scambiatori di calore)* sono gli scambiatori a contatto indiretto. Essi trovano applicazione in settori come il riscaldamento, il raffreddamento, l'industria alimentare, chimica, farmaceutica e nelle energie rinnovabili. #### Scambiatori di calore a Tubi Concentrici **Meccanismo di scambio**: Il trasferimento di calore avviene tramite convezione dal fluido caldo alla parete interna del tubo, conduzione tra la parete del tubo caldo e la parete del tubo freddo, e convezione dalla parete esterna al fluido freddo. ![[Pasted image 20241216135545.png|400]] Se il verso di percorrenza dei due fluidi è lo stesso, lo scambiatore si dice in **equi-corrente**, mentre nei sistemi **controcorrente** i due fluidi scorrono in direzioni opposte. ![[Pasted image 20241216135559.png|400]] ==Gli scambiatori in controcorrente sono più efficienti perché permettono di ottenere, a parità di condizioni, un maggiore incremento di temperatura per il fluido freddo.== Per uno scambiatore a tubi concentrici in equicorrente e in condizioni di regime stazionario ($q_a=q_b$), l'equazione del flusso termico è: $ \color {green} q = \frac{T_{a1} - T_{b1}}{\varphi} \left(1 - e^{-H \varphi (2 \pi x)}\right) $ *dove:* - *q è il flusso termico totale,* - *$T_{a1}$ e $T_{b1}$ sono le temperature iniziali dei fluidi,* - *$H$ è la trasmittanza della parete,* - *$\varphi$ è il coefficiente che dipende dalle capacità termiche dei fluidi.* A questo punto si può valutare l'**andamento della temperatura** dei due fluidi lungo lo scambiatore, i due fluidi scorrono nella stessa direzione. La differenza di temperatura tra i fluidi: $T_a - T_b$diminuisce esponenzialmente lungo la lunghezza dello scambiatore. Le equazioni che descrivono l'andamento delle temperature sono: - Per il fluido caldo a: $ T_a(x) = T_{a1} - \frac{T_{a1} - T_{b1}}{\gamma_a G_a \varphi} \left(1 - e^{-H \varphi (2 \pi x)}\right) $ - Per il fluido freddo b: $ T_b(x) = T_{b1} + \frac{T_{a1} - T_{b1}}{\gamma_b G_b \varphi} \left(1 - e^{-H \varphi (2 \pi x)}\right) $ *Dove:* - *$T_{a1}$ e $T_{b1}$ sono le temperature iniziali dei fluidi.* - *$\gamma_a$ e $\gamma_b$ sono i calori specifici.* - *$G_a$ e $G_b$ sono le portate massiche.* - *$H$ è la trasmittanza termica della parete.* - *$\varphi$ è un coefficiente che dipende dalle capacità termiche dei fluidi.* **La temperatura media ponderata** $T_m= lim_{x\rightarrow \infty} T_a = lim_{x\rightarrow \infty} T_b$ può essere quindi calcolata utilizzando la seguenti espressione: $ \color {green} T_m = \frac{\gamma_a G_a T_{a1} + \gamma_b G_b T_{b1}}{\gamma_a G_a + \gamma_b G_b} $ *Dove:* - *$\gamma_a$ e $\gamma_b$ sono i calori specifici dei fluidi a e b.* - *$G_a$ e $G_b$ sono le portate massiche dei fluidi.* - *$T_{a1}$ e $T_{b1}$ sono le temperature iniziali dei fluidi caldo e freddo, rispettivamente.* ![[Pasted image 20241216134949.png|400]] ##### Esempio Pratico Supponiamo che un fluido caldo entri nello scambiatore a 100°C con una portata massica di 2 kg/s e un calore specifico di 4 kJ/(kg·K), mentre un fluido freddo entra a 20°C con una portata massica di 3 kg/s e un calore specifico di 2 kJ/(kg·K). La temperatura media ponderata sarà: $ T_m = \frac{(4 \cdot 2 \cdot 100) + (2 \cdot 3 \cdot 20)}{(4 \cdot 2) + (2 \cdot 3)} = \frac{800 + 120}{8 + 6} = \frac{920}{14} = 65.71°C $ Questo risultato rappresenta la temperatura media alla quale i due fluidi tendono a stabilizzarsi lungo lo scambiatore in condizioni di equilibrio termico. #### Scambiatori a Piastre Composti da una serie di piastre tra le quali scorrono i fluidi in canali alternati. *Questo design offre un'elevata efficienza grazie alla grande superficie di scambio disponibile e alla possibilità di configurare flussi in controcorrente.* ![[Pasted image 20241216135516.png|400]] #### Scambiatori a Mantello e Tubi Utilizzano un fascio di tubi all'interno di un mantello. *Il fluido passa attraverso i tubi mentre l'altro fluido scorre nel mantello, consentendo un ampio contatto tra i fluidi.* ![[Pasted image 20241216135403.png|400]] ![[Pasted image 20241216135443.png|400]] ![[Pasted image 20241216135452.png|400]] #### Visuals --- <div class="iframe-container"> <iframe width="560" height="315" src="https://www.youtube.com/embed/GDyQXSEAJNA?si=dEU8wwV16VEvU8PO" title="YouTube video player" frameborder="0" allow="accelerometer; autoplay; clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture; web-share" referrerpolicy="strict-origin-when-cross-origin" allowfullscreen></iframe> </div> [Industrial Heat Exchangers Explained - YouTube](https://www.youtube.com/watch?v=GDyQXSEAJNA&list=PLMqBX1kqZ4AjTQLj5uYZlgn3uE_FhudUv&index=13)