Uno scambiatore di calore è un dispositivo che trasferisce parte del calore da un fluido caldo a un fluido freddo, noto anche come scambiatore di calore. Gli scambiatori di calore svolgono un ruolo importante nella produzione chimica, petrolifera, energetica, alimentare e in molte altre produzioni industriali. Nella produzione chimica, gli scambiatori di calore possono essere utilizzati come riscaldatori, raffreddatori, condensatori, evaporatori e ribollitori e sono ampiamente utilizzati.
Adatti a scambiatori di calore con diversi fluidi, condizioni di lavoro, temperature e pressioni e con diverse tipologie strutturali. La classificazione specifica degli scambiatori di calore è la seguente:
Classificazione basata sui principi di trasferimento del calore
1. Lo scambiatore di calore interparete è un tipo di scambiatore di calore in cui due fluidi con temperature diverse fluiscono in uno spazio separato dalla parete, conducendo il calore sulla parete e la convezione sulla superficie della parete. Il calore viene trasferito tra i due fluidi. Gli scambiatori di calore a parete comprendono quelli a fascio tubiero, a manicotto e altri tipi di scambiatori di calore. Gli scambiatori di calore a parete sono i più utilizzati.
2. Uno scambiatore di calore ad accumulo è un corpo di accumulo di calore composto da materiali solidi, che trasferisce il calore da un fluido ad alta temperatura a un fluido a bassa temperatura. Il fluido caldo raggiunge prima una certa temperatura riscaldando il materiale solido, quindi il fluido freddo viene riscaldato dal materiale solido per raggiungere lo scopo del trasferimento di calore. Gli scambiatori di calore rigenerativi sono di tipo rotativo e a commutazione di valvola.
3. Lo scambiatore di calore indiretto a collegamento di fluidi è uno scambiatore di calore che collega due scambiatori di calore di superficie con un vettore di calore circolante. Il vettore di calore circola tra lo scambiatore di calore per fluidi ad alta temperatura e il fluido a bassa temperatura, ricevendo calore dal fluido ad alta temperatura e cedendo calore al fluido a bassa temperatura nello scambiatore di calore per fluidi a bassa temperatura.
4. Lo scambiatore di calore a contatto diretto, noto anche come scambiatore di calore ibrido, è un'apparecchiatura in cui due fluidi entrano in contatto diretto e si mescolano per lo scambio di calore, come una torre di acqua fredda, un condensatore di gas, ecc.
5. Uno scambiatore di calore composto è un'apparecchiatura che combina due tipi di metodi di trasferimento di calore: il trasferimento di calore indiretto sulla superficie del vapore e il trasferimento di calore diretto del flusso d'acqua miscelato. Rispetto al trasferimento di calore indiretto sulla superficie del vapore, ha una maggiore efficienza di trasferimento del calore; rispetto alla miscelazione diretta di vapore e acqua per lo scambio di calore, ha una maggiore stabilità e una minore rumorosità unitaria.
Classificati per scopo
1. Un riscaldatore riscalda il fluido alla temperatura necessaria, ma il fluido riscaldante non subisce alcun cambiamento di fase.
2. Il preriscaldatore preriscalda il fluido in anticipo, fornendo parametri di processo standard per le operazioni di processo.
3. Un surriscaldatore viene utilizzato per riscaldare un fluido (gas di processo o vapore) in uno stato surriscaldato. 4. L'evaporatore viene utilizzato per riscaldare il fluido a una temperatura superiore al punto di ebollizione, provocando l'evaporazione del fluido, di solito con cambiamenti di fase.
Classificato per struttura
Può essere suddiviso in: scambiatori di calore a testa galleggiante, scambiatori di calore a piastra tubiera fissa, scambiatori di calore a piastra tubiera a forma di U, scambiatori di calore a piastra, ecc.
Gli scambiatori di calore possono essere suddivisi in tre tipi in base ai diversi metodi di trasferimento del calore: ibrido, ad accumulo termico e interparete.
Uno scambiatore di calore ibrido è uno scambiatore di calore che scambia calore attraverso il contatto diretto e la miscelazione di fluidi freddi e caldi, noto anche come scambiatore di calore a contatto. Poiché è necessaria una separazione puntuale dopo la miscelazione e lo scambio di calore tra due fluidi, questo tipo di scambiatore di calore è adatto allo scambio di calore tra fluidi gassosi e liquidi. Ad esempio, nelle torri di raffreddamento utilizzate nelle centrali chimiche ed elettriche, l'acqua calda viene spruzzata dall'alto verso il basso, mentre l'aria fredda viene aspirata dal basso verso l'alto. Sulla superficie del film d'acqua o delle gocce del materiale di riempimento, l'acqua calda e l'aria fredda entrano in contatto per lo scambio di calore. L'acqua calda viene raffreddata, l'aria fredda riscaldata e quindi separata in modo tempestivo a seconda della differenza di densità tra i due fluidi.
Lo scambiatore di calore ad accumulo termico è un tipo di scambiatore di calore che utilizza un flusso alternato di fluidi freddi e caldi attraverso la superficie del materiale di accumulo termico (imballaggio) in una camera di accumulo termico, al fine di scambiare calore, come ad esempio una camera di accumulo termico per il preriscaldamento dell'aria sotto un forno a coke. Questo tipo di scambiatore di calore viene utilizzato principalmente per recuperare e utilizzare il calore dei gas di scarico ad alta temperatura. Un'apparecchiatura simile, finalizzata al recupero dell'energia fredda, è chiamata accumulatore di freddo, spesso utilizzato nei dispositivi di separazione dell'aria.
Lo scambiatore di calore a parete è un tipo di scambiatore di calore in cui i fluidi freddi e caldi sono separati da pareti solide e lo scambio di calore avviene attraverso le pareti. Per questo motivo è noto anche come scambiatore di calore di tipo superficiale e questo tipo di scambiatore di calore è il più utilizzato.
Gli scambiatori di calore a parete possono essere suddivisi in a tubi, a piastre e di altro tipo in base alla struttura della superficie di trasferimento del calore. Gli scambiatori di calore a tubo utilizzano la superficie del tubo come superficie di trasferimento del calore, compresi gli scambiatori di calore a serpentina, gli scambiatori di calore tubolari e gli scambiatori di calore a fascio tubiero; gli scambiatori di calore a piastre utilizzano la superficie della piastra come superficie di trasferimento del calore, compresi gli scambiatori di calore a piastre, gli scambiatori di calore a spirale, gli scambiatori di calore ad alette a piastre, gli scambiatori di calore a guscio a piastre e gli scambiatori di calore a piastre ad ombrello, ecc; altri tipi di scambiatori di calore sono progettati per soddisfare alcuni requisiti speciali, come gli scambiatori di calore a superficie raschiata, gli scambiatori di calore a piastre rotanti e i raffreddatori ad aria.
Le direzioni di flusso relative dei fluidi negli scambiatori di calore sono generalmente di due tipi: flusso in avanti e flusso inverso. Quando si scorre verso valle, la differenza di temperatura tra i due fluidi all'ingresso è massima e diminuisce gradualmente lungo la superficie di trasferimento del calore, fino a quando la differenza di temperatura all'uscita è minima. Nel flusso inverso, la distribuzione della differenza di temperatura tra i due fluidi lungo la superficie di trasferimento del calore è relativamente uniforme. Partendo dal presupposto che le temperature di ingresso e di uscita dei fluidi freddi e caldi sono costanti, quando entrambi i fluidi non presentano transizione di fase, la differenza di temperatura massima e minima uniforme nel flusso in controcorrente è la stessa.
Con la premessa di completare lo stesso trasferimento di calore, l'uso della controcorrente può aumentare la differenza di temperatura uniforme e ridurre l'area di trasferimento di calore dello scambiatore di calore; se l'area di trasferimento di calore rimane invariata, l'uso della controcorrente può ridurre il consumo di fluidi di riscaldamento o raffreddamento. Il primo può far risparmiare sui costi delle apparecchiature, mentre il secondo può far risparmiare sui costi di esercizio, per cui lo scambio di calore in controcorrente dovrebbe essere utilizzato il più possibile in fase di progettazione o di produzione.
Quando si verifica un cambiamento di fase (ebollizione o condensazione) tra fluidi freddi e caldi, e solo il calore latente di vaporizzazione viene rilasciato o assorbito durante il cambiamento di fase, la temperatura del fluido stesso non cambia. Pertanto, le temperature di ingresso e di uscita del fluido sono uguali. In questo momento, la differenza di temperatura tra i due fluidi è indipendente dalla scelta della direzione del flusso del fluido. Oltre ai flussi a monte e a valle, esistono anche direzioni di flusso come il flusso trasversale e la turbolenza.
La riduzione della resistenza termica negli scambiatori di calore interparete per migliorare il coefficiente di trasferimento del calore è un problema importante durante il processo di trasferimento del calore. La resistenza termica deriva principalmente dal sottile strato di fluido (chiamato strato limite) che aderisce alla superficie di trasferimento del calore su entrambi i lati della parete intermedia e dallo strato di incrostazioni che si forma su entrambi i lati della parete durante l'utilizzo dello scambiatore di calore. La resistenza termica della parete metallica è relativamente bassa.
Aumentando la velocità del flusso e le perturbazioni del fluido si può assottigliare lo strato limite, ridurre la resistenza termica e migliorare il coefficiente di trasferimento del calore. Tuttavia, l'aumento della portata del fluido comporta un aumento del consumo energetico, per cui in fase di progettazione è necessario trovare un giusto equilibrio tra la riduzione della resistenza termica e la riduzione del consumo energetico. Per ridurre la resistenza termica dello sporco, è possibile ritardare la formazione dello sporco e pulire la superficie di trasferimento del calore nei tempi previsti.
In generale, gli scambiatori di calore sono realizzati con materiali metallici, tra cui l'acciaio al carbonio e l'acciaio debolmente legato sono utilizzati principalmente per la produzione di scambiatori di calore a media e bassa pressione; oltre ad essere utilizzato principalmente per diverse condizioni di resistenza alla corrosione, l'acciaio inossidabile austenitico può essere utilizzato anche come materiale resistente alle alte e basse temperature; Il rame, l'alluminio e le loro leghe sono comunemente utilizzati nella produzione di scambiatori di calore a bassa temperatura; la lega di nichel è utilizzata in condizioni di alta temperatura; Oltre alla realizzazione di parti di guarnizione, alcuni materiali non metallici sono stati utilizzati per realizzare scambiatori di calore resistenti alla corrosione, come gli scambiatori di calore in grafite, gli scambiatori di calore in fluoroplastica e gli scambiatori di calore in vetro.
I principali campi di applicazione degli scambiatori di calore
1, industria chimica
Gli scambiatori di calore sono ampiamente utilizzati nell'industria chimica e possono essere impiegati in diversi processi, quali condensazione, evaporazione, cristallizzazione, essiccazione e pirolisi. Le applicazioni più comuni includono il riscaldamento del vapore, il recupero del refrigerante, la concentrazione, il riscaldamento e il raffreddamento, ecc. Il trasferimento di calore può avvenire tramite scambiatori di calore, che possono ridurre le emissioni di gas nocivi e migliorare l'efficienza della produzione.
2. Industria energetica
Nell'industria energetica, l'applicazione degli scambiatori di calore comprende principalmente petrolio, gas naturale, energia nucleare, energia eolica, energia solare, ecc. Gli scambiatori di calore possono essere utilizzati per il riscaldamento, il raffreddamento e la distillazione di petrolio e gas naturale. Possono recuperare il calore di scarto e fornire energia termica ad altre apparecchiature, ottenendo un efficace utilizzo dell'energia.
3. Industria della protezione ambientale
Gli scambiatori di calore hanno anche importanti applicazioni nell'industria della protezione ambientale, che possono essere utilizzate in vari aspetti come il trattamento delle acque reflue, la purificazione dei gas e l'essiccazione dei fanghi. L'applicazione degli scambiatori di calore può ridurre lo scarico di gas di scarico, acque reflue e scorie, ridurre l'inquinamento e migliorare l'efficacia della protezione ambientale.
4, industrie alimentari e farmaceutiche
In industrie come quella alimentare e medica, gli scambiatori di calore sono utilizzati principalmente per il riscaldamento, il raffreddamento, l'evaporazione, la concentrazione e altri processi. Nella lavorazione degli alimenti, gli scambiatori di calore possono essere utilizzati per disinfettare e sterilizzare, migliorando la qualità e la sicurezza degli alimenti; nell'industria farmaceutica, gli scambiatori di calore possono controllare la temperatura di reazione, ottenere una produzione di precisione dei farmaci e migliorare la qualità dei prodotti.
5, industria delle costruzioni
Nell'industria delle costruzioni, gli scambiatori di calore sono utilizzati principalmente in settori come l'HVAC e la climatizzazione. Utilizzando uno scambiatore di calore, è possibile riscaldare, raffreddare, deumidificare e svolgere altre funzioni in situazioni in cui esiste una grande differenza di temperatura tra l'interno e l'esterno, migliorando l'ambiente interno e aumentando il comfort.
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