Scambiatori a batterie di tubi alettati

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Scambiatori di calore
Energetica
SCAMBIATORI A BATTERIE DI TUBI ALETTATI
G
Elementi generali. Negli scambiatori tra un gas e un liquido il coefficiente
di scambio del liquido è molto maggiore di quello del lato gas. Per bilanciare le
conduttanze termiche si usano estese alettature solo sul lato gas. Inoltre, se la
pressione di uno dei due fluidi è elevata, l’uso di tubi è maggiormente economico
di altre soluzioni. Questi scambiatori hanno comunemente tubi circolari o rettangolari, più raramente ellittici. Le alette, sempre presenti all’esterno dei tubi come
elementi singoli (fig. A1), o comuni a tutto il fascio tubiero (fig. A2), in qualche
applicazione sono presenti anche all’interno (fig. B).
Dettagli costruttivi. La tecnologia costruttiva deve assicurare un’ottima
conduzione di calore all’interfaccia tra i tubi e le alette. A eccezione della costruzione integrale di pezzo (possibile per estrusione, in caso di alette interne ai tubi, o
per rullatura per quelle esterne a tubi circolari), il contatto viene ottenuto mediante forzamento meccanico (avvolgimento delle alette sotto tensione, espansione dei
tubi per mandrinatura o pressione idraulica), oppure per saldatura, saldo-brasatura,
incollaggio.
Materiali. Si tratta prevalentemente di materiali metallici, con larga prevalenza delle leghe di rame e di alluminio, più facilmente saldabili; per temperature
non elevate (attorno a 100 ◦ C) vengono usate anche le materie plastiche, facilmente
formabili per iniezione in stampi a caldo, anche con geometrie complesse.
Schemi di flusso. La disposizione dei tubi in file ordinate (“ranghi” della
batteria) consente la realizzazione di molteplici schemi di flusso con la massima
versatilità. Lo schema, localmente incrociato tra fluido interno e fluido esterno
ai tubi, può globalmente assumere l’andamento in equicorrente, controcorrente o
misto e i singoli ranghi possono essere collegati tra loro in serie, in parallelo o in
serie-parallelo. Le estremità dei tubi circolari si collegano tramite raccordi a U,
di solito uniti per saldo-brasatura. I tubi ovali richiedono camere di alimentazione
e/o di inversione, opportunamente flangiate alla batteria.
Tipi geometrici. Le alettature singole hanno configurazione piana o elicoidale senza interruzioni (fig. D1), o con varie forme di ondulazioni (fig. D2) o intagli
(fig. D3); analoghe soluzioni costruttive si applicano anche alle alette comuni a
tutto il pacco di tubi: lisce (fig. A2), ondulate o interrotte da fori e tagli divaricati
(fig. C), per interrompere la continuità dello strato limite del fluido e incrementare
il coefficiente di scambio termico.
Limiti di progetto. Sono adatti per pressioni anche molto elevate sul lato
tubi. Le temperature sono limitate dal metodo di unione delle alette e dai materiali impiegati. Meno elevate invece le massime densità di area superficiale, che
superano di poco i 3000 m2 /m3 , consentendo comunque un’ottima compattezza.
Il numero di alette varia da 250 a 800 al metro, con spessori di 0,08–0,25 mm; la
loro estensione nel senso del flusso è di 25–250 mm.
Applicazioni tipiche. Batterie a pacchi di tubi alettati si usano in molti
cicli termodinamici: in tutti i mezzi di trazione a propulsione termica, quali autoveicoli, aeromobili, locomotive (raffreddamento con aria di acqua e olio); negli
impianti frigoriferi e di climatizzazione (condensatori, evaporatori, deumidificatori,
convettori di ambiente) e negli impianti generatori di potenza a vapore (condensatori ad aria). La configurazione di progetto dei raffreddatori ad aria, presenta una
modesta profondità del pacco nella direzione del flusso esterno ai tubi e un’ampia area frontale con distribuzione d’aria in convezione forzata, tramite uno o più
ventilatori.
Pietro Ferrari