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Anche se non sembra, svariati oggetti che abbiamo anche a casa nostra, sono a livello teorico degli Scambiatori di Calore; essi permettono lo scambio di energia termica tra due fluidi (che possono essere liquidi o gassosi) senza che questi entrino in contatto tra loro.
In questo video vedremo come funziona uno SCAMBIATORE DI CALORE.
Si hanno notizie dei primi scambiatori di calore già nel periodo Romano; nelle terme romane, per scaldare i bagni d’acqua calda, venivano utilizzati i fumi di combustione di un braciere che scaldavano delle lastre di pietra, dell’acqua veniva quindi fatta passare sopra le lastre, permettendo così lo scambio termico.
Ma i primi veri scambiatori di calore a tutti gli effetti furono realizzati nel medioevo; per la distillazione delle bevande alcoliche si usavano e si usano tutt’ora dei serpentini per la condensazione del distillato, essi non sono altro che degli scambiatori a fascio tubiero e mantello.
Per capire al meglio il funzionamento dello scambiatore di calore prenderemo come esempio un comune scambiatore a piastre, vediamolo internamente:
Lo scambiatore a piastre è costituito da una sequenza di piastre lavorate in modo da aumentare la superficie di contatto con i fluidi, ciascuna piastra presenta quattro fori (due fori di alimentazione e due fori di scarico); fra ogni coppia è presente una guarnizione che garantisce la tenuta idraulica verso l'esterno e intorno ai fori di passaggio, in questo modo si viene a formare una camera di passaggio per il fluido.
Queste guarnizioni, in base al loro disegno, fanno scorrere in mezzo a due piastre; o il fluido caldo; o il fluido freddo; in questo modo alternando una camera calda con una camera fredda per tutto lo scambiatore di calore, si ottimizza lo scambio termico fra i due liquidi. Ed è anche importante anche il fluidi scorrano in direzioni opposte, infatti come possiamo vedere, la guarnizione che permette il passaggio del fluido freddo, fa passare il flusso dal foro di alimentazione inferiore verso il foro di scarico superiore e tappa completamente i fori del fluido caldo.
Mentre la guarnizione che permette il passaggio del fluido caldo, fa passare il flusso dal foro di alimentazione superiore verso il foro di scarico inferiore e tappa completamente i fori del fluido freddo.
Questo “scambio in controcorrente” aiuta la circolazione dei fluidi, migliorando l’efficienza dello scambiatore di calore, perché il fluido freddo riscaldandosi diminuirà la sua densità e tenderà a salire, mentre il fluido caldo raffreddandosi aumenterà la sua densità e tenderà a scendere.
Gli scambiatori a piastre sono una tipologia di scambiatore di calore molto utilizzata sugli impianti di teleriscaldamento, dove una grossa centrale produce vapore ad alta temperatura, che viene inviato con delle condotte di mandate e di ritorno alle abitazioni, qui gli scambiatori di calore fungono da interfaccia tra il vapore della rete di distribuzione e l’acqua dell'impianto di riscaldamento delle abitazioni. L’intera città di New York viene riscaldata in questo modo ed è una forma di riscaldamento usata in molte grandi città.
Gli scambiatori di calore quindi, per le loro capacità di scambio termico hanno la forme e gli impieghi più svariati. Vediamone vari esempi.
Come abbiamo visto nel nostro video sul funzionamento di una centrale termoelettrica, tutto il principio di funzionamento è basato sullo scambio di calore, la caldaia a tubi d’acqua per esempio è uno scambiatore tubulare, e lo sono anche i condensatori ed il degasatore termico.
Perfino le torri di raffreddamento sono dei grandi scambiatori di calore, che cedono la temperatura in eccesso del liquido direttamente nel gas dell’atmosfera terreste.
È molto interessante notare che le macchine costruite dall’uomo utilizzano vari tipi di energia per compiere un lavoro, e più la macchina è efficiente, più l’energia utilizzata si trasforma in lavoro, l’energia che non si è trasformata in lavoro invece, non viene perduta nel nulla, ma si tramuta in calore all'interno della macchina, che viene infine espulso nell'ambiente.
Come avete visto nel nostro video sulle automobili questa caratteristica è molto evidente, infatti solo il 30% circa del combustibile esploso viene trasformata in movimento, tutto il restante è energia sotto forma di calore. Per essere dissipata efficacemente nell’atmosfera viene utilizzato il radiatore, uno scambiatore di calore a pacco alettato.