Scambiatori di calore paralleli
Gli scambiatori di calore sono utilizzati in numerose applicazioni tecniche. Ne sono un esempio i condensatori, le colonne di rettifica, le pompe di calore, i sistemi di raffreddamento per motori di azionamento, gli impianti di climatizzazione, gli impianti di recupero energetico e i sistemi di riscaldamento con fluidi termici. L'obiettivo è sempre il trasferimento di energia termica da un fluido più caldo a uno più freddo. Non si verifica alcuna miscelazione dei fluidi.
La forza motrice del trasferimento di calore è una differenza di temperatura. La potenza termica trasferita Q˙ può essere descritta in generale come segue
dQ/dt = dm/dt · cp · ΔT
Q˙= m˙· cp · ΔT
m˙ è la portata massica, cp è la capacità termica specifica e ΔT è la variazione di temperatura del mezzo. Questa formula si applica al flusso monofase con cp costante.
Nello scambiatore di calore a flussi paralleli, entrambi i mezzi scorrono nella stessa direzione lungo la superficie di trasferimento del calore. Le differenze di temperatura più elevate si verificano nella zona di ingresso. Lungo la direzione del flusso, le temperature dei due fluidi si avvicinano rapidamente. La differenza di temperatura media motrice diventa sempre più piccola.
Per il dimensionamento viene spesso utilizzata la differenza di temperatura media logaritmica. I presupposti sono: nessuna reazione chimica e nessun cambiamento di fase:
ΔTlm = (ΔT1−ΔT2) / ln (ΔT1 / ΔT2)
Il caso opposto allo scambiatore di calore a flussi paralleli è lo scambiatore di calore a flussi contrari. Nello scambiatore di calore a flussi contrari, il flusso opposto determina una differenza di temperatura media ΔTlm più elevata. A parità di superficie di scambio termico e di coefficiente di trasferimento termico, ciò comporta un rendimento termico più elevato rispetto allo scambiatore di calore a flusso parallelo.
- ΔTlm è la differenza di temperatura media logaritmica
- Th,in è la temperatura di ingresso del fluido caldo
- Th,out è la temperatura di uscita del fluido caldo
- Tc,in è la temperatura di ingresso del fluido freddo
- Tc,out è la temperatura di uscita del fluido freddo
- Q˙ è la potenza termica
- L'indice G sta per controcorrente
- L'indice P sta per flusso parallelo
- L'indice c sta per freddo
- L'indice h sta per caldo
- U è il coefficiente di trasferimento termico totale
- A è la superficie di trasferimento termico