Nella termotecnica, uno scambiatore di calore (o semplicemente scambiatore) è un'apparecchiatura chimica in un impianto, in cui si realizza lo scambio di energia termica di un fluido termovettore con altri aventi temperature diverse..

Storia

Si ha notizia di scambiatori di calore come li intendiamo oggi a partire dal tardo periodo della Repubblica romana, come elemento scaldante dell'acqua dei calidaria delle Terme romane. Lo scambio termico nei calidaria avveniva facendo passare i fumi di combustione della legna a contatto 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. 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 si è iniziato anziché a usare superfici tubolari a diffondersi le superfici piane (eventualmente corrugate), quelle che oggi si impiega nello scambiatore a piastre ed scambiatore a spirale, lo scambiatore a lamelle dalla Ramens Patenter... 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..

Descrizione A livello teorico lo scambiatore di calore è assimilato a un sistema aperto che opera senza scambio di lavoro; essi scambiano materia e calore con l'esterno, ma non scambiano lavoro. Sebbene siano utilizzati estensivamente in ambito industriale ai fini della termoregolazione industriale di processo, molti esempi di scambiatori di calore si trovano anche nella vita quotidiana; alcuni esempi di comuni scambiatori di calore sono il radiatore delle automobili e il calorifero per il riscaldamento domestico e nella caldaia murale, il condizionatore e lo scaldabagno elettrico.

Sono invece scambiatori a tutti gli effetti i serpentini utilizzati nella distillazione – o meglio, nella condensazione del distillato – già nel Medioevo. Utilizzando una classificazione più sotto riportata, erano scambiatori a fascio tubiero 1-1 (1 passaggio lato tubi e 1 passaggio lato mantello).

Classificazione Modalità di contatto tra le correnti Vi sono criteri di classificazione diversi degli scambiatori di calore.. In base alla modalità di contatto tra le correnti, gli scambiatori di calore possono essere:

a contatto diretto: se le interfacce dei fluidi che scambiano calore sono direttamente a contatto tra loro; le due correnti si scambiano calore e materia, ovvero non sono separate da pareti; questa possibilità si presenta nel caso di due fluidi immiscibili, nello scambio di calore tra un liquido e un gas qualunque o tra un liquido e il suo vapore; esempi sono la torre di raffreddamento e lo scambiatore a fiamma sommersa; scambiatore a miscela: questi operano una semplice miscelazione dei fluidi, che si portano alla stessa temperatura. Un esempio notevole è il degasatore termico dell'acqua di alimento di Generatore di vapore a vapore, in cui viene iniettato vapore acqueo allo scopo di creare le condizioni per una parziale evaporazione, con i cui vapori vengono anche estratti gli incondensabili indesiderati (soprattutto l'ossigeno); a 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. Queste superfici possono essere provvisti di un'alettatura al fine di agevolare ulteriormente lo scambio termico. In uno scambiatore a superficie si riconoscono due compartimenti o "lati", al cui interno scorrono i fluidi. Per il primo principio della termodinamica, i corpi devono essere a temperature diverse perché vi sia trasferimento di calore da uno all'altro di questi compartimenti, per cui si definiscono un "lato caldo" (dove scorre il fluido avente temperatura maggiore, da raffreddare) ed un "lato freddo" (dove scorre il fluido avente temperatura minore, da riscaldare). Questi "lati" hanno caratteristiche costruttive diverse a seconda del tipo di scambiatore e dei fluidi.

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

Nella maggioranza dei casi i corpi caldo e freddo che circolano all'interno di uno scambiatore di calore sono fluidi (quindi allo stato liquido, aeriforme).

Scambiatori a superficie per modello costruttivo A seconda della geometria dello scambiatore, si possono definire (citando solo i casi principali): scambiatore tubulare scambiatore a doppio tubo (o "a tubi concentrici"): i fluidi scorrono in due tubi coassiali, uno interno (tube o "tubo") e uno esterno (annulus o "camicia"); è l'unica configurazione che permette un profilo termico in equicorrente o controcorrente perfetti; scambiatore a fascio tubiero e mantello: uno dei fluidi passa all'interno di tubi (solitamente a sezione circolare) e l'altro all'esterno dei tubi stessi, in una camera (mantello) appositamente realizzata; in questo tipo di scambiatore, durante l'attraversamento dell'apparecchiatura la direzione del moto del fluido lato mantello può cambiare repentinamente a causa della presenza di "diaframmi", per cui lo scambio di calore può avvenire secondo varie modalità (equicorrente, controcorrente o flusso incrociato);. sono il tipo di scambiatori di calore più utilizzati nell'ambito della termoregolazione industriale;. scambiatore a trombone (o scambiatore a gocciolamento): sono costituiti da un tubo a forma elicoidale dentro cui scorre il fluido di processo che viene raffreddato attraverso un film di acqua che viene fatta gocciolare dall'alto. scambiatore a superficie raschiata: i tubi di questi scambiatori presentano al loro interno delle lame rotanti che raschiano la superficie interna del tubo; sono utilizzati nel caso di fluidi altamente sporcanti, viscosi o che tendono alla cristallizzazione. scambiatore a superficie immersa serpentino per il riscaldamento o il raffreddamento di fluidi; tubi di un forno: i tubi vengono riscaldati tramite irraggiamento, e scambiano il calore con le correnti che transitano al loro interno.

scambiatore a piatti scambiatore a piastre: i due fluidi lambiscono i lati opposti di una lamiera, solitamente corrugata o piana con l'inserimento di turbolatori, in camere alternate e tra loro isolate e la geometria di questi scambiatori è analoga alla filtropressa; un caso particolare è lo scambiatore roll-bond, in cui i canali di un lato sono interni ad una lamiera monoblocco, mentre nell'altro lato si ha un fluido, solitamente stazionario; scambiatore a spirale: i due fluidi passano ai lati opposti di una lamiera, di solito liscia, in camere singole di elevata lunghezza, avvolte a spirale;

scambiatore a blocchi di grafite o altro materiale: le correnti circolano in fori cilindrici, solitamente disposti ortogonalmente nei due lati; scambiatore a superficie estesa tubo alettato scambiatore aerorefrigerante: il fluido da raffreddare passa attraverso dei tubi (generalmente con alettatura) che sono raffreddati attraverso un ventilatore che raccolgono l'aria circostante e la direzionano sui tubi; scambiatore a pacco alettato: uno dei fluidi passa all'interno di tubi, solitamente a sezione circolare, e l'altro (gassoso) attraverso il pacco alettato all'esterno dei tubi; scambiatore a microcanali: uno dei fluidi passa all'interno di piattine cave aventi dei canali a sezione quadrata e l'altro (gassoso) attraverso il pacco alettato all'esterno dei tubi; scambiatore a lamella: è costituito da lamiere grecate saldate tra loro, che costituiscono la superficie di scambio termico;

apparecchiature incamiciate; di tipo rigenerativo: le correnti vengono inviate alternativamente all'interno di una camera di mattoni inerti (rigeneratore Cowper), oppure in particolari unità rotanti in lamierino (scambiatore Ljungström).

Classificazione per compattezza La "compattezza" di uno scambiatore di calore è rappresentata dalla "densità di area superficiale" (espressa in m2/m3), che è pari al rapporto tra l'area della superficie di scambio e il volume dello scambiatore di calore.

Per scambio di calore tra un aeriforme e un liquido, gli scambiatori si dividono in: scambiatori di calore compatti: aventi densità di area superficiale maggiore di 700 m2/m3; scambiatori di calore non compatti: aventi densità di area superficiale minore di 700 m2/m3.

Per scambio di calore tra due liquidi o nel caso in cui sia associato ad un cambiamento di fase, si definiscono: scambiatori di calore compatti: aventi densità di area superficiale maggiore di 400 m2/m3; scambiatori di calore non compatti: aventi densità di area superficiale minore di 400 m2/m3.

Classificazione per tipo di processo A seconda del processo per cui sono utilizzati, gli scambiatori possono essere:

di tipo sensibile: scambiano solo calore sensibile; raffreddatore: un fluido di processo è raffreddato attraverso un fluido di servizio (ad esempio acqua); riscaldatore: un fluido di processo è riscaldato da un fluido di servizio (ad esempio vapore o olio); surriscaldatore ribollitore: un liquido viene portato all'ebollizione; si parla di "ribollitore totale" se viene completamente portato allo stato gassoso e di "ribollitore parziale" se rimane in parte allo stato liquido; evaporatore condensatore: un aeriforme va in condensazione. Degasatore termico

Talvolta il termine "scambiatore" viene utilizzato con un significato più ristretto, riferendosi al caso specifico in cui lo scopo dell'apparecchiatura è quella di scambiare calore per un Fluido di processo, si parla di "raffreddatore" e di "riscaldatore" quando una delle due correnti è costituita da un fluido di servizio, per cui lo scopo è quello di raffreddare o riscaldare un fluido di processo..

Classificazione per profilo termico

La maggior parte dei processi di scambio termico non sono isotermici, avvengono cioè a temperatura variabile, in cui un corpo entra a bassa temperatura e si riscalda; l'altro entra ad alta temperatura e si raffredda. Lo scambio termico tra i due fluidi può avvenire in tre modi:. scambio in equicorrente: i fluidi si muovono in percorsi tra loro paralleli e lungo lo stesso verso; scambio in controcorrente: i fluidi si muovono in percorsi tra loro paralleli ma in versi opposti; scambio a correnti incrociate: i fluidi si muovono in percorsi tra loro ortogonali.

Solo nel caso di scambio in controcorrente la temperatura di uscita del fluido freddo può essere superiore a quella di uscita del fluido caldo. Nel caso di scambio in equicorrente le temperature dei due fluidi si avvicinano tra loro durante l'attraversamento dello scambiatore e in linea teorica possono raggiungere lo stesso valore (equilibrio termico dei due fluidi) se la superficie di scambio ha un'area infinita: questa è ovviamente una condizione non raggiungibile nella pratica.

Applicazioni