A cosa servono gli scambiatori di calore?
Puoi vedere scambiatori di calore in tutti i posti, di solito lavorano per riscaldare o raffreddare edifici o per aiutare motori e macchine a lavorare in modo più efficiente.I frigoriferi e i condizionatori d’aria, per esempio, usano gli scambiatori di calore nel modo opposto ai sistemi di riscaldamento centrale: rimuovono il calore da un compartimento o da una stanza dove non è desiderato e lo pompano via in un fluido in qualche altro posto dove può essere scaricato fuori dalla strada. Il fluido di raffreddamento è completamente sigillato all’interno di una rete di tubi, quindi non entra mai in contatto con l’aria: prende l’energia termica dall’aria interna e la scarica nell’aria esterna, ma non si mescola mai direttamente con quell’aria.
Foto: Una pompa di calore estrae calore da una sorgente calda geotermica naturale, usata per riscaldare gli edifici a Hot Springs Lodge and Pool a Glenwood Springs, Colorado. Lo scambiatore è la piastra coperta di alghe piena di tubi di rame al centro dell’acqua. Foto di Warren Gretz per gentile concessione di US DOE/NREL (Department of Energy/NationalRenewable Energy Laboratory).
Nelle centrali elettriche o nei motori, i gas di scarico spesso contengono calore che si sta dirigendo inutilmente all’aria aperta. Questo è uno spreco di energia e qualcosa che uno scambiatore di calore può certamente ridurre (anche se non eliminare del tutto – un po’ di calore va sempre perso). Il modo per risolvere questo problema è con scambiatori di calore posizionati all’interno dei tubi di scarico o delle ciminiere. Quando i gas di scarico caldi salgono verso l’alto, spazzolano delle alette di rame con l’acqua che scorre attraverso di esse, l’acqua porta via il calore, di nuovo nell’impianto. Lì, potrebbe essere riciclato direttamente, magari riscaldando i gas freddi che alimentano il motore o la fornace, risparmiando l’energia che altrimenti sarebbe necessaria per riscaldarli. Orit potrebbe essere messo a qualche altro buon uso, per esempio, riscaldando un ufficio vicino alla ciminiera.
Foto: Come funziona uno scambiatore di calore per acqua di scarico della doccia. L’acqua di scarico calda in uscita riscalda l’acqua fredda in entrata, riducendo l’energia necessaria per ottenere l’acqua calda e rendendo il tutto più efficiente.
Negli autobus, il fluido usato per raffreddare il motore diesel viene spesso fatto passare attraverso uno scambiatore di calore e il calore che recupera viene usato per riscaldare l’aria fredda dall’esterno che viene pompata su dal pavimento dell’abitacolo. Questo risparmia la necessità di avere ulteriori, dispendiosi riscaldatori elettrici all’interno dell’autobus.Un radiatore per auto è un altro tipo di scambiatore di calore. L’acqua che raffredda il motore scorre attraverso il radiatore, che ha un sacco di alette di alluminio parallele e aperte all’aria. Mentre l’auto va avanti, l’aria fredda che soffia nel radiatore rimuove parte del calore, raffreddando l’acqua e riscaldando l’aria e mantenendo il motore efficiente. Il calore residuo del radiatore è usato per riscaldare l’abitacolo, proprio come in un autobus.
Se hai una doccia a risparmio energetico, potrebbe avere uno scambiatore di calore installato nell’uscita dell’acqua di scarico.Come l’acqua gocciola oltre il tuo corpo e giù per la spina, corre attraverso le bobine di rame di uno scambiatore di calore.Nel frattempo, l’acqua fredda che sta alimentando la doccia per essere riscaldato pompe fino passato le stesse bobine, notmixing con l’acqua sporca, ma raccogliendo alcuni dei suoi rifiuti di calore e di riscaldamento leggermente-così la doccia non ha bisogno di riscaldarlo così tanto.
Tipi di scambiatori di calore
Tutti gli scambiatori di calore fare lo stesso lavoro-passando il calore da un fluido ad un altro-ma lavorano in molti modi diversi. I due tipi più comuni di scambiatori di calore sono quelli a fascio tubiero e a piastre. Negli scambiatori di calore a fascio tubiero, un fluido scorre attraverso una serie di tubi metallici whilethe secondo fluido passa attraverso un guscio sigillato che li circonda. questo è il design mostrato nel nostro diagramma sopra. i due fluidi possono fluire nella stessa direzione (noto come parallelo flusso), in direzioni opposte (controflusso o controcorrente), o ad angolo retto (flusso incrociato). Le caldaie nelle locomotive a vapore funzionano in questo modo.Gli scambiatori di calore a piastre/alette hanno molte piastre o alette di metallo sottili con una grande superficie (perché così si scambia più calore più rapidamente); gli scambiatori di calore nei forni a gas (caldaie a gas) funzionano in questo modo.
Foto: Due tipi di scambiatori di calore. 1) Uno scambiatore a fascio tubiero dell’impianto Savannah Rivernuclear nella Carolina del Sud, Stati Uniti. Ci sono molti tubi in questo e sono facili da vedere. Foto per gentile concessione del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE).2) Lo scambiatore di calore a piastre e alette dall’interno di una caldaia/forno di riscaldamento centrale a gas.
Gli scambiatori di calore usati per minimizzare le perdite di calore da edifici, motori e macchine sono talvolta chiamati recuperatori o rigeneratori. Queste sono due cose abbastanza diverse. Un recuperatore è tipicamente usato per catturare il calore che altrimenti andrebbe perso, per esempio, quando l’aria soffocante viene ventilata da un edificio: il fluido freddo in entrata viene incanalato nella direzione opposta al fluido caldo in uscita per minimizzare la perdita di calore. Poiché i fluidi in entrata e in uscita si muovono in direzioni opposte, i recuperatori sono esempi di scambiatori di calore in controcorrente.
Artwork: Un esempio di uno scambiatore di calore recuperatore che funziona in un sistema di ventilazione a recupero di calore (HRV). L’aria calda e soffocante che esce dall’edificio (tubo arancione che va dall’alto a destra in basso a sinistra) cede il suo calore all’aria fredda e fresca che entra dall’esterno (tubo marrone che va dall’alto a sinistra in basso a destra).
Un rigeneratore è simile, ma i fluidi in entrata e in uscita si muovono attraverso lo stesso canale in direzioni opposte e in tempi diversi. Così il fluido caldo uscirà attraverso il rigeneratore, cedendo un po’ del suo calore durante il tragitto. Più tardi, il fluido freddo entrerà attraverso lo stesso canale, di nuovo attraverso il rigeneratore, raccogliendo un po’ del calore immagazzinato lì. Un rigeneratore è una delle parti chiave di una forma altamente efficiente di energia chiamata motore Stirling, in cui un pistone spinge il gas intrappolato avanti e indietro tra una fonte di calore (come un fuoco) e un luogo dove il calore viene perso (“un lavandino”). Il rigeneratore riduce il calore che altrimenti andrebbe perso mentre il motore gira avanti e indietro.
Quali sono i migliori materiali per uno scambiatore di calore?
Foto: La plastica è un materiale perfettamente adatto per scambiatori di calore a bassa temperatura.
Si potrebbe pensare che gli scambiatori di calore debbano sempre essere fatti di metalli, che assorbono e conducono rapidamente il calore – e molti di loro lo sono. Ma gli scambiatori di calore possono essere fatti anche di ceramica, di materiali compositi (basati su metalli o ceramica) e anche di plastica (polimeri).
Tutti questi materiali hanno i loro vantaggi. Le ceramiche sono una scelta particolarmente buona per il tipo di applicazioni ad alta temperatura (oltre 1000°C o 2000°F) che fonderebbero metalli come rame, ferro e acciaio, anche se sono anche popolari per l’uso con fluidi corrosivi e abrasivi ad alte o basse temperature. Le plastiche generalmente pesano e costano meno dei metalli, resistono alla corrosione e al fouling e possono essere progettate per avere una buona conducibilità termica, anche se tendono ad essere meccanicamente deboli e possono degradarsi nel tempo. Sebbene non siano generalmente adatti per applicazioni ad alta temperatura, gli scambiatori di plastica potrebbero essere una buona scelta per qualcosa come una piscina o una doccia, che funziona a temperature ambiente di tutti i giorni. Gli scambiatori di calore compositi combinano le migliori caratteristiche dei loro materiali madre, ad esempio l’alta conducibilità termica di un metallo con il peso ridotto e una migliore resistenza alla corrosione di una plastica.
In futuro, è decisamente possibile che useremo materiali ancora più interessanti nei dissipatori di calore.I nanotubi di carbonio, per esempio (sottili fogli esagonali di carbonio avvolti a formare dei “tubi”), hanno proprietà di conduzione del calore sorprendenti e sono già usati nei dissipatori di calore (dispositivi di rimozione del calore usati soprattutto nell’elettronica).Molte ricerche sono in corso per vedere come possono essere impiegati negli scambiatori di calore.