I cambiatori di calore sono apparecchi progettati per trasferire il calore da un luogo all'altro. La loro funzione è quella di estrarre il calore da un liquido come l'acqua calda o il vapore e di indirizzarlo verso un altro, come l'acqua fredda o l'aria. Questo processo attraverso il quale il calore viene trasferito da un fluido all'altro è chiamato Trasferimento di Calore. Poiché i cambiatori di calore vengono utilizzati in molti luoghi, come fabbriche, centrali elettriche o persino le nostre case, diventano molto importanti. Senza di essi, come gestiremmo il calore in questi sistemi?
Per avere un quadro chiaro del meccanismo di funzionamento dietro gli scambiatori di calore, vengono spiegati alcuni aspetti su come avviene il trasferimento di calore. Il calore è una forma di energia che fluisce dagli oggetti caldi a quelli freddi. Quando tocchi una piastra bollente, per esempio, il calore viene trasferito dalla piastra alla tua mano, il che fa sentire caldo. Ecco un buon motivo per stare attenti alle superfici calde. Ci sono tre meccanismi di movimento del calore: conduzione, convezione e radiazione.
La convezione avviene quando il calore viene trasmesso da fluidi in movimento come l'aria e l'acqua. È un meccanismo di trasferimento del calore molto significativo nel caso di vari tipi di dispositivi, come gli scambiatori di calore. Ad esempio, l'acqua calda scorre attraverso uno scambiatore di calore e, per convezione, cede il suo calore all'acqua fredda che scorre anch'essa nello scambiatore.
Si tratta di un processo di trasferimento del calore chiamato radiazione, che avviene senza alcun contatto diretto tra gli oggetti. Ad esempio, considera come la Terra venga riscaldata dal sole in modo semplice. Questo accade perché il calore del sole viaggia nello spazio - ma poiché non ci sono molecole nel vuoto, esso riscalda il nostro pianeta senza doverci toccare.
Gli scambiatori di calore sono fantastici in quanto possono aiutare a risparmiare energia. Estrarre il calore da un liquido caldo e poi trasferirlo in un liquido freddo, facendolo senza perdere energia. In un forno industriale - è molto evidente e ampiamente utilizzato, ma con l'uso di uno scambiatore di calore si può risparmiare circa il 25 al 35% di energia; ad esempio, una fabbrica che riscalda l'acqua che passa attraverso diversi passaggi/livelli nello stesso impianto, ora poiché è caldo al primo livello, una possibile alternativa è utilizzare il freddo al quarto livello, così si potrebbe evitare l'uso di un altro riscaldatore. In questo modo nessuna energia termica viene sprecata, il che porta a significativi risparmi sulle bollette mensili.
La differenza di temperatura tra i due liquidi gioca un ruolo importante nello scambio di calore. Più grande è la differenza di temperatura, maggiore sarà il trasferimento di calore. Per questo motivo è importante progettare lo scambiatore di calore tenendo presente la differenza di temperatura appropriata. Questa è una considerazione importante per gli ingegneri per assicurarsi che lo scambiatore di calore funzioni efficacemente.
Un progetto particolarmente affascinante è il cambiatore di calore a microcanali. Un altro modo per descrivere questi cambiatori di calore è che sembrano piccoli canali, larghi solo pochi millimetri. Questi piccoli canali sono in grado di fornire un'ottima prestazione termica in un volume molto ridotto grazie al rapporto elevato tra area e volume. Ciò li rende candidati ideali per questo tipo di scambio termico.