Scelta dello scambiatore di calore

Uno scambiatore di calore è un componente termodinamico che consente il trasferimento di energia sotto forma di calore tra due fluidi. Esistono sul mercato diversi tipi di scambiatori standard, per applicazioni come teleriscaldamento, caldaie e refrigerazione. Lo scambiatore è però una macchina termica estremamente versatile, che può essere appositamente studiata per adattarsi alle più diverse caratteristiche di processo o di prodotto.

Gli scambiatori di calore trovano oggi impiego in tutti i settori dell’industria, per la termostatazione, la termoregolazione e il recupero di calore, ovunque sia necessario riscaldare o raffreddare fluidi di lavoro in macchinari ed equipaggiamenti industriali. Gli scambiatori di calore sono macchine statiche e passive, non hanno parti in movimento (ad eccezione dei ventilatori negli scambiatori aria/liquido) e lavorano semplicemente trasferendo energia termica (non ne consumano e non ne creano), sfruttando lo scambio termico che si instaura naturalmente fra due fluidi che si trovano a diversa temperatura.

Lo scambio termico è un processo fisico naturale che avviene in base al principio che l’energia presente in un sistema tende sempre all’equilibrio, distribuendosi in questo caso tra i fluidi tendendo all’uniformità delle temperature.

Esistono scambiatori ad aria e ad acqua, utilizzati con i più svariati fluidi di processo, e lo scambio può avvenire per contatto diretto o indiretto. Nello scambio diretto o per miscelazione, due fluidi immiscibili vengono prima portati a contatto e poi separati, come avviene nelle torri di raffreddamento dove l’acqua viene raffreddata per contatto diretto con l’aria. Negli scambiatori di calore indiretti o a superficie, di cui parliamo in questo capitolo, i due fluidi sono invece separati da una superficie di scambio, una sottile parete divisoria in metallo, una piastra, un tubo di una serpentina, che fa da materiale di trasmissione per il passaggio di calore tra i due fluidi.

Esistono vari tipi di scambiatore, a seconda di come lo scambio termico viene ottenuto: scambiatori a fascio tubiero, ideali per esempio per il recupero di calore da fumi in impianti di cogenerazione con motori endotermici. Usati largamente e per inerzia storica fino in anni recenti, oggi vengono sempre più sostituiti da scambiatori a piastre, soluzione molto più compatta e performante (minori consumi di acqua e maggiore rendimento termico). Esistono però anche scambiatori di calore a spirale, a blocchi e scambiatori a pacco alettato.
In prima battuta è fondamentale suddividere la tipologia di scambio che si deve effettuare, per fare una prima grossa selezione della tipologia di scambiatore che si andrà ad utilizzare. Infatti, i classici scambiatori a pacco alettato trovano maggior impiego nelle applicazioni legate alla dissipazione di calore, ovvero allo scambio termico tra fluidi gassosi a basse pressione e liquidi (dry cooler, radiatori, free cooler, ecc…).