Gli scambiatori di calore sono dispositivi ampiamente utilizzati in ambito industriale e civile. Dal settore chimico alla climatizzazione ambientale, permettono la cessione di calore da un fluido caldo a uno freddo senza che questi entrino in contatto. I sempre più alti requisiti di efficienza energetica richiedono l’ottimizzazione di questi dispositivi. Di conseguenza, una volta scelta la tipologia di scambiatore, durante la fase di dimensionamento ci si trova a dover affrontare un problema di ottimizzazione con innumerevoli gradi di libertà.

Se, ad esempio, si sceglie di installare uno scambiatore a tubi alettati e a flusso incrociato, bisogna determinare il materiale e la dimensione di tubi e alette. Si considerano anche il numero di tubi, di ranghi, di alette e la distanza che intercorre tra di loro. I soli vincoli sono sulle portate, le temperature uscenti e l’ingombro.

Nei casi di condizioni standard, vi sono correlazioni che vengono in aiuto al progettista, quali ad esempio la correlazione di Zukauskas. Tuttavia, nella stragrande maggioranza dei casi, le condizioni di lavoro sono particolari e le correlazioni offrono risultati scadenti. Proprio in questi casi, Phi Drive può dare un grande apporto con le analisi CFD e indirizzare il cliente verso la soluzione più efficiente ed economica.

Un esempio dall’analisi CFD

Di seguito è mostrato un esempio di simulazione su uno scambiatore a tubi a flusso incrociato. All’interno dei tubi scorre dell’acqua calda mentre all’esterno i tubi sono lambiti da aria fredda. Dall’immagine si può osservare l’incremento di temperatura dell’aria che lambisce i tubi all’interno dei quali scorre l’acqua calda, che al contempo si raffredda.

Scambiatore di calore

L’implementazione delle alette permette di aumentare la superficie di scambio e, quindi, il calore scambiato. Nell’immagine che segue si può infatti apprezzare l’analisi CFD dello stesso scambiatore mostrato in precedenza ma alettato. Le alette permettono aumentano lo scambio termico: l’aria raggiunge una temperatura superiore mentre l’acqua raggiunge una temperatura minore.

Scambiatore di calore

Gli scambiatori di calore sono altresì utilizzati per far evaporare un flusso liquido o far condensare un flusso gassoso. Tali fenomeni sono complessi poiché includono il cambio di fase e, quindi, delle proprietà del fluido in analisi. Di seguito è mostrato il cambio di fase (in termini di frazione volumetrica) da acqua a vapore che avviene all’interno di una tubatura scaldata da un fluido esterno più caldo.

Scambiatore di calore