Economisirea energie este un aspect avut în vedere tot mai des atât de către consumatorii industriali, cât şi de către cei casnici, nu doar datorită considerentelor legate de controlul şi reducerea costurilor, ci şi dintr-o perspectivă ecologică. Aceste nevoi sunt în principal cele care determină numeroase fabrici şi indivizi să apeleze la dispozitive precum schimbătoarele de căldură. Prin instalarea acestora se urmăreşte recuperarea unui procent cât mai mare de căldură reziduală. Procesele de transfer termic asemenea celor implicate de schimbătoarele de căldură sunt frecvent întâlnite în viaţa de zi cu zi, de exemplu atunci când gătim căldura, prin intermediul ochiului de la aragaz, se transferă vasului pentru gătit.
Dar să începem cu începutul, să vedem mai întâi ce sunt schimbătoarele de căldură.
Schimbătoarele de căldură sunt acele echipamente sau dispozitive de transfer termic ce au ca scop medierea transferului de căldură de la un fluid la altul, în diferite procese. Transferul de căldură se face conform principiului al doilea al termodinamicii de la mediul cald la mediul mai rece, în procese precum cele de condensare, încălzire, fierbere sau răcire, dar şi în alte procese în care sunt prezente fluide având temperaturi diferite. Aceste echipamente au o largă aplicabilitate fiind utilizate în instalaţii de climatizare, refrigerare, încălzire, distilare sau ca anexe ale maşinilor termice. Radiatoarele sunt poate unul dintre cele mai evidente exemple de schimbătoare de căldură, fluidul fierbinte, apa care răceşte motorul, transferă către un fluid rece (aerul din mediul ambiant) parte din căldura eliminată de motor. Instalaţiile de încălzire centrală, aparatele de aer condiţionat, echipamentele de refrigerare şi alte dispozitive radiante pot fi la rândul lor echipate cu un schimbător de căldură.
În funcţie de diversele criterii de clasificare există mai multe tipuri de schimbătoare de căldură. Astfel, din punct de vedere al configuraţiei suprafeţei de schimb de căldură cele mai frecvent întâlnite categorii sunt cea a schimbătoarelor tubulare, respectiv a celor cu plăci.
Schimbătoarele de căldură cu plăci au fost introduse pe piaţă în 1923 şi de atunci au rămas aproape neschimbate din punct de vedere constructiv şi al tehnologiei de fabricaţie, ele evoluând însă sub aspectul parametrilor operaţionali şi ai materialelor din care pot fi realizate plăcile şi garniturile. Aliajele de aluminiu, oţelurile inoxidabile, aliajele de titan sau cupru-nichel sunt unele dintre cele mai utilizate materiale. Schimbătoarele de căldură cu plăci se găsesc în 4 variante tehnologice: schimbătoare cu plăci şi garnituri demontabile, schimbătoare de căldură cu plăci sudate, schimbătoare cu plăci brazate şi schimbătoare de căldură cu plăci cu circuite imprimate. Mai multe seturi de plăci aflate în contact ferm unele cu altele compun acest tip de schimbătoare. Printr-una din plăci circulă fluidul care cedează căldura, iar prin alte două plăci alăturate acesteia trece lichidul care preia căldura.
Schimbătoarele de căldură tubulare sunt cele mai utilizate tipuri de schimbătoare, fiind întâlnite adesea în numeroase aplicaţii industriale datorită gamei foarte largi de temperaturi şi presiuni cu care sunt compatibile, dar şi posibilităţii de a transporta fluide ce au vâscozitate ridicată. Acest tip de schimbătoare se confecţionează din materiale precum aliaje din titan, oţel inox sau oţel carbon şi sunt practic compuse din mai multe tuburi, montate în interiorul unei carcase cilindrice, care permit schimbul de căldură dintre cele două fluide. Carcasa cilindrică este tubul de mare diametru prin care circulă lichidul ce preia căldura, iar prin celelalte tuburi, mai mici, din interiorul carcasei circulă lichidul care cedează căldura.
Alte clasificări existente sunt cele în funcţie de poziţia dispozitivului (schimbătoare de căldură verticale şi orizontale), în funcţie de materialul de construcţie (schimbătoare de căldură metalice şi ceramice sau mixte), după numărul de treceri ale agentului termic (schimbătoare de căldură cu o singură trecere şi schimbătoare de căldură cu mai multe treceri), în funcţie de regimul de lucru schimbătoarele de căldură pot fi cu regim staţionar şi schimbătoare de căldură cu regim nestaţionar, după tipul schemei de curgere a agenţilor termici există schimbătoare de căldură în echicurent (agenţii curg în aceeaşi direcţie şi acelaşi sens), schimbătoare de căldură în contracurent (agenţii au aceeaşi direcţie, dar sensuri opuse de curgere) şi schimbătoare de căldură în curent încrucişat (unul dintre agenţi curge perpendicular pe direcţia de curgere a celuilalt).
Rolul schimbătoarelor de căldură şi modul de funcţionare al acestora fac obiectul următoarelor rânduri. Scopul schimbătorului de căldură este acela de a transfera căldura de la un agent termic la altul, în timp ce separă ambele circuite. Spaţiile pentru circulaţia celor două fluide fiind separate, acestea nu ajung niciodată să se amestece, peretele separator reprezentând de fapt suprafaţa de transfer. În timpul circulaţiei prin cele două compartimente, unul dintre fluide preia energia termică descărcată de celălalt. Fluidele pot fi lichide, gazoase sau combinate. Exploatarea normală a oricărui schimbător de căldură are în vedere menţinerea unui regim termic optim care să poată satisface corespunzător cerinţele procesului tehnologic cu un consum termic cât mai redus.
În cadrul sistemului solar schimbătorul de căldură realizează transferul de căldură de la agentul termic la apa potabilă sau la apa caldă din rezervor. Acesta este folosit în sistemele moderne de instalaţii solare pentru sprijinirea sistemelor de încălzire clasice. Pentru ca schimbul de căldură să poată avea loc, este necesar ca între mediul de încălzire şi materialul de încălzit să existe o diferenţă de temperatură. Cantitatea de căldură ce poate fi transferată de către un schimbător creşte cu cât există un debit mai mare în ceea ce priveşte ambele suprafeţe, caz în care tipul de curgere este important.
La curgerea fluidelor prin schimbătoarele de căldură apar uneori pierderi de presiune ca urmare a frecării cu suprafaţa de transfer termic sau a depăşirii obstacolelor locale. Căderile de presiune afectează performanța termică a schimbătorului, de aceea este important ca ele să fie compensate cu ajutorul unor pompe sau ventilatoare ce asigură circulaţia fluidelor prin schimbător. Un alt aspect ce influenţează performanţa schimbătoarelor de căldură fiind chiar puterea de consum al acestor pompe sau ventilatoare.
Pentru ca un colector solar să funcţioneze eficient este foarte important ca schimbătorul de căldură să fie dimensionat astfel încât temperatura de ieşire ce corespunde oarecum temperaturii de intrare a colectorului să fie cât mai joasă.
Încheiem acest articol cu schimbătoarele de căldură pentru piscine. Un exemplu de schimbător de căldură rentabil din punct de vedere financiar şi eficient în acelaşi timp, un sistem de încălzire proiectat pentru a încălzi apa din piscină prin conectarea la diverse surse de căldură, precum un boiler, o pompă de căldură sau un sistem de panouri solare. Apa poate ajunge la temperaturi de până la 28-30 de grade celsius independent de tipul piscinei (interioară sau exterioară, supraterană sau îngropată) astfel încât proprietarii să se poată bucura de ea indiferent de anotimp. Odată obţinută temperatura dorită, aceasta va fi menţinută fără a fi necesară utilizarea continuă a schimbătorului de căldură. Având în vedere că timpul necesar acestei proceduri se situează în jurul a minim 24 de ore este indicat ca un astfel de sistem să fie pus în funcţiune seara, când piscina nu mai este folosită pentru ca a doua zi apa să atingă temperatura optimă necesară pentru utilizare.
