Cenni di Meccanica dei fluidi
E’ la scienza che studia le forze che agiscono sui fluidi ed i loro effetti.
I fluidi maggiormente importanti in acquacoltura sono l’acqua e l’aria.
1. Proprietà dei fluidi - studio delle caratteristiche fisiche dei fluidi:
- Peso specifico
- Densità
- Massa volumica
- Viscosità
- Dilatabilità
- Comprimibilità
- Tensione superficiale
- Adesione
2. Statica dei fluidi - studia i fluidi fermi:
- Pressione
3. Dinamica dei fluidi - studia i fluidi in movimento:
- Conservazione di massa ed energia
- Perdite di carico
PROPRIETA’ DEI FLUIDI
Densità - massa volumica
La densità  misura la massa contenuta nell’unità di volume, quindi la
sua unità di misura è kg/m3.
M

V
kg/m3
Peso specifico
Il peso specifico misura il peso (forza gravitazionale) contenuto nell’unità
di volume, e quindi si calcola:
  g
dove:
 = densità (kg/m3)
g = accelerazione di gravità (m/s2)
N/m3
Viscosità dinamica o assoluta
E’ la misura della resistenza del fluido a scorrere (“attrito interno”).
La forza F rapportata all’unità di superficie di contatto tra due strati di
fluido A è proporzionale alla variazione di velocità dV ed inversamente
proporzionale allo spessore degli strati di fluido dx, attraverso un
coefficiente di proporzionalità che è appunto il coefficiente di viscosità
dinamica µ e si misura in N.s/m2 o Pa.s.
V1
A
V2
F
dV

A
dx
F  dx

A  dV
x
N
 s ; Pa  s
2
m
Viscosità cinematica
Dividendo la viscosità dinamica per la densità del fluido alla stessa
temperatura si ottiene la viscosità cinematica, come risulta dalla seguente
relazione.
La viscosità cinematica nel sistema internazionale viene misurata in cm2/s
e tale unità di misura prende il nome di Stoke (1 Stoke = 1 cm2/s).



N
s
m2
kg
m3
N
m3

s
2
kg
m
kg  m 1
m3

 2 s
2
kg
s
m
m2

s
Pressione di vapore saturo o tensione di vapore
La pressione o tensione di vapore saturo è la massima pressione parziale che le
molecole di vapor acqueo eserciterebbero se l’aria fosse satura di vapore a quella
temperatura. La temperatura influenza la pressione del vapore saturo (relazione
Clausius-Clapeyron).
La curva di Clausius-Clapeyron permette di prevedere a
quale temperatura avviene l’ebollizione, nota la
pressione esterna.
1013 mbar (1 atm)
Ebollizione
Nell’acqua sono sempre presenti bollicine di
vapore, che in condizioni di equilibrio presentano
all’interno una pressione uguale a quella del
vapore saturo che contengono. Finché la pressione
esercitata dall’esterno (pressione atmosferica) è
maggiore, le bollicine restano “intrappolate”.
Aumentando la temperatura però aumenta la
pressione del vapore dentro la bollicina. Quando la
pressione interna eguaglia quella esterna (se la
pressione esterna è di 1 atm ciò avviene a 100°C),
le bollicine crescono di diametro, sono portate in
superficie dalla spinta di Archimede e l’acqua
comincia a “bollire”.
Per portare l’acqua all’ebollizione si può anche
diminuire la pressione esterna: ciò spiega perchè
in montagna l’acqua bolle ad una temperatura
inferiore.
Dilatabilità
Si intende per dilatabilità dei fluidi la variazione della massa volumica
(e quindi anche di peso specifico e densità) con il variare della
temperatura.
Comprimibilità
Si intende per comprimibilità dei fluidi la variazione della massa
volumica (e quindi anche di peso specifico e densità) con il variare della
pressione. La variazione della comprimibilità dell’acqua con la pressione
è praticamente trascurabile (non è così per altri fluidi).
Tensione superficiale
La tensione superficiale dei fluidi è una diretta conseguenza delle forze di
coesione tra le molecole dei fluidi a contatto (es. acqua/aria). La tensione
superficiale è caratteristica dei fluidi a contatto e dipende fortemente dalla
temperatura, ma è indipendente dall’estensione della superficie di
contatto.
Adesione (tra liquido e pareti) - Capillarità
L’adesione è la proprietà per cui le
molecole di un liquido a contatto con
un corpo solido aderiscono ad esso
lungo le superfici di contatto.Non
sempre tra corpo liquido e solido c’è
adesione.
Quando c’è adesione, la zona
superficiale di contatto tra liquido e
parete si presenta concava, quando non
c’è adesione (il liquido non bagna le
pareti) si presenta convessa.
Il particolare comportamento dei
liquidi nei tubi capillari (capillarità) è
una diretta conseguenza del fenomeno
dell’adesione.
Una formula empirica definisce l’altezza h raggiunta dall’acqua per capillarità in un
tubicino di diametro d:
h = 30/d
Proprietà fisiche dell’ACQUA - tabella riassuntiva
4
(6,11 mbar)
Proprietà fisiche dell’ARIA - tabella riassuntiva
STATICA DEI FLUIDI - IDROSTATICA
Per la proprietà fondamentale dei liquidi, nell’acqua le molecole pur
rimanendo unite tra loro a distanze costanti (coesione), hanno la
possibilità di scorrere l’una rispetto all’altra. Ne consegue che nell’acqua
le molecole tendono a scendere ai livelli più bassi, fino a disporsi in uno
strato sottilissimo, a meno che questo non sia impedito da un recipiente
che le contenga.
Da ciò si deduce che l’acqua esercita una “forza” contro le pareti del
recipiente che la contiene. Un fluido statico (quindi anche l’acqua)
produce solo forze normali (perpendicolari) ad una superficie ed in ogni
punto del fluido statico esiste una determinata pressione. La pressione in
ogni punto è misurata dalla forza agente sull’unità di superficie:
P = pressione (Pa, N/m2)
F = forze agenti sulla superficie A (N)
A = superficie (m2)
F
P
A
Pressione statica
Se la superficie su cui agisce la forza è
infinitesimamente piccola e diventa paragonabile ad
un punto (punto 1), allora la pressione in quel punto,
così come in qualsiasi altro punto di una colonna
d’acqua statica, agisce ugualmente in tutte le
direzioni.
Se il peso specifico del liquido è , il fondo di un
recipiente ha area A e l’altezza del liquido nel
recipiente è h, allora la forza agente sul fondo (punto
2) sarà:
F    A h
dividendo entrambi i membri per A, risulta:
e quindi:
F   A h

A
A
P  h
La pressione in un punto della colonna
di liquido dipende dal peso specifico
del liquido e dall’altezza della colonna
di liquido soprastante il punto.
Il principio enunciato dalla precedente
equazione determina i fenomeni evidenziati
dalla seguente figura: fori alla stessa altezza
nel recipiente determinano fuoriuscita di
liquido alla stessa distanza, mentre fori
praticati a diverse profondità determinano
fuoriuscite di liquido a distanze crescenti
verso il fondo del recipiente, a causa
dell’aumento di pressione idrostatica.
Inoltre, in tutti i punti che giaciono su
un piano orizzontale in un sistema
fluido statico, la pressione risulta
uguale.
DINAMICA DEI FLUIDI
La dinamica dei fluidi studia i fluidi in movimento. I concetti
fondamentali della dinamica dei fluidi sono di particolare interesse dal
momento che pressocché tutti i sistemi di acquacoltura sono sistemi
idraulici dinamici.
Principio di conservazione di massa
Tale principio applicato ad un sistema dinamico di acquacoltura può
essere così enunciato:
“l’acqua che entra nel sistema, l’acqua immagazzinata nel sistema e
l’acqua che fluisce dal sistema, devono essere in equilibrio”.
Ciò viene così espresso matematicamante:
se
Qin = Qout 
ovvero
Dvasca = 0
Qin - Qout = Dvasca
FLUSSO = Velocità . Superficie = V . A
Qin = Qout
Vin . A in = Vout . A out
Il principio di conservazione di massa si deve verificare anche nel caso in
cui si voglia mantenere un flusso costante di liquido in movimento entro
una tubazione.
Ain
Aout
Vin
La stessa relazione ovviamente
vale anche nel caso seguente:
Vout
Ain
Vin
Aout
Vout
Esempio
L’acqua entra in una tubazione del diametro di 40 cm ad una velocità di 5
cm/s. A che velocità esce dall’altra estremità di diametro 20 cm?
Soluzione:
Ain = (0,4/2)2 . 3,14 = 0,1256 m2
Aout = (0,2/2)2 . 3,14 = 0,0314 m2
Vin = 0,05 m/s
Vin . A in = Vout . A out da cui: Vout = Vin . A in / A out
Vout = 0,05 . 0,1256 / 0,0314 = 0,2 m/s
Principio di conservazione dell’energia
In ogni punto di un sistema idraulico l’energia totale comprende 3 componenti:
A) Energia potenziale dovuta alla quota rispetto ad un punto di riferimento,
EPh  Z  W
Z
W
h
P

V
M
g
B) Energia dovuta alla pressione,
EPp  h W
EPp 
P

W
quota rispetto al riferimento (m)
peso forza del liquido (kg.m/m3.s2)
altezza della colonna di liquido (m)
pressione (N/m2)
peso specifico del liquido (N/m3)
velocità del liquido (m/s)
massa del liquido (kg/m3)
accelerazione di gravità (m/s2)
(dato che P =  . h e quindi h = P/)
C) Energia cinetica dovuta al movimento del liquido,
EK  12 M V 2
V2
EK 
W
2g
(dato che W = M.g e quindi M = W/g)
Sommando le 3 equazioni si ottiene dunque l’energia totale di un elemento di liquido
in movimento:
P
2
V
ET  Z  W   W 
W

2g
Per il principio di conservazione dell’energia, l’energia totale in qualsiasi punto di un
sistema idraulico deve essere costante:
ET1 = ET2
quindi:
2
P1
2
V1
P2
V2
Z1  W  W  W  Z2  W  W 
W

2g

2g
ovvero (eliminando W):
P1
2
2
V1
P2 V2
Z1  
 Z2  
 2g
 2g
Quest’ultima relazione è nota come equazione di Bernoulli per i fluidi ideali fluenti
senza perdita di energia
Z 
P


V
2
2g
 COSTANTE
i 3 termini hanno la grandezza di una lunghezza (altezza verticale)
Z
P

V
2
2g
QUOTA EFFETTIVA
altezza effettiva verticale di un punto considerato rispetto alla quota di
riferimento
QUOTA “PIEZOMETRICA” o di PRESSIONE
altezza della colonna liquida sopra il punto considerato capace di
produrre con il suo peso la pressione P
QUOTA CINETICA
altezza dalla quale dovrebbe cadere nel vuoto un grave inizialmente in
riposo per acquistare la velocità V (ovvero altezza alla quale giunge un
grave lanciato da fermo con velocità V)
Caso di un serbatoio a livello costante con acqua che fluisce (Teorema di Torricelli)
Z 
h
V
2
2g
P


V
2
2g
 COSTANTE
V  2 gh
La velocità con cui l’acqua fluisce da un orifizio nella parete di un
recipiente dove il liquido sia mantenuto a livello costante è la stessa
velocità che avrebbe un grave in caduta libera da un altezza
corrispondente ad h.
Esempio: calcolare la velocità di flusso del liquido in uscita da un sistema strutturato
come quello in figura.
1
3,3 m
In accordo alle precedenti equazioni,
l’energia totale nei punti 1 e 2 deve essere
uguale. Inoltre, ponendo la quota del punto
2 come quota di riferimento ed essendo i
punti 1 e 2 entrambi a pressione
atmosferica, si ha:
(3,3 + 1,4) + 0 + V12/2g = 0 + 0 + V22/2g
1,4 m
2
Se la vasca in questione è sufficientemente
larga rispetto al condotto di uscita del
liquido, si può assumere ininfluente la
velocità del liquido alla superficie della
vasca, quindi:
4,7 + 0 + 0 = V22/2g
da cui:
V22 = 4,7 . 2 . 9
e quindi V2 = 9,5 m/s
Nella pratica reale, i liquidi in movimento si allontanano dalle condizioni ideali e
sono soggetti a perdite energetiche dovute ad attrito lungo le condotte e alla
presenza di ostacoli localizzati lungo il percorso (curve, valvole, ecc.), nonché
possono essere presenti fonti esterne di energia (pompe).
Per questo motivo l’equazione prima enunciata dovrebbe essere completata come
segue:
Z1 + P1/ + V12/2g + energia fornita
=
Z2 + P2/ + V22/2g + perdite di carico
Lo studio delle perdite di carico è alla base del dimensionamento di un impianto
idraulico basato su condotte e permette anche il dimensionamento delle pompe
per la movimentazione dell’acqua.
Esempi pratici ed applicazioni
I principi dell’idrostatica:
- Principio di Pascal,
- Principio di Archimede
- Principio dei vasi comunicanti
Principio di Pascal
La pressione esercitata da un liquido su una parete è sempre diretta
normalmente.
In un generico punto all’interno di un liquido in equilibrio la pressione è
la stessa in tutte le direzioni.
Se in un punto di un liquido in equilibrio si esercita una certa pressione,
questa si trasmette con uguale intensità in ogni altro punto del liquido ed
in ogni direzione.
Idrostatica: esempi pratici
La spinta così
calcolata si
applica nel
baricentro
La spinta così
calcolata si
applica a 1/3 h
Idrostatica: esempi pratici
Applicazioni: le pareti di contenimento
PARETI A GRAVITA’
PARETI A
es. ARGINATURE
RESISTENZA
es. VASCHE
Il peso proprio della parete
produce una spinta stabilizzante
che si oppone alla spinta ribaltante
determinata dall’acqua.
La resistenza meccanica della
struttura si oppone allo stato
tensionale indotto dalla spinta
dell’acqua.
Applicazioni: argini
Spinta idrostatica
stabilizzante
Applicazioni: dighe di sbarramento
3
1. Parete a gravità
2. Parete a resistenza
1
3. Scarico spinte lateralmente
2
La più interessante applicazione dei principi di Pascal è il torchio idraulico (alla base
del funzionamento dei martinetti idraulici oleodinamici).
F”
F’
l”
A”
P
P = F’ : A’ = F” : A”
l’
A’
P
 F” = F’ . (A”/A’)
La pressione generata da F’ che spinge il pistone più piccolo sarà presente
ed uguale in ogni punto del liquido, anche sotto il pistone più grande,
dove genererà una forza F” che spingerà il pistone verso l’alto.
Lo spostamento l” sarà però molto più piccolo di l”, perché deve essere:
A’ . l’ = A” . l”  A” = A’ * (l’/l”)
Si ricorda ancora il
Teorema di Bernoulli:
l’energia che il liquido
possiede non cambia nel
passaggio dal punto 1 al punto
2 (condotta in moto
permanente a sezione
variabile). Naturalmente deve
però essere considerata anche
l’energia spesa e dissipata per
attriti (perdite di carico).
L’energia totale è data dalla somma di:
a. Energia potenziale dovuta alla quota del liquido rispetto al piano geodetico (z1 e z2).
b. Energia dovuta alla pressione cui è sottoposto il liquido.
c. Energia cinetica dovuta al fatto che il liquido è in movimento.
Vediamo di approfondire dal punto di vista pratico i punti b. e c.
In un corso d’acqua libero, inserendo un tubicino piegato con
l’apertura controcorrente (= tubo di Pitot), il liquido tende a
salire nel tubicino fino ad un’altezza “cinetica”, per effetto
della velocità del liquido.
Forando una condotta forzata in un punto e ponendo un
tubicino verticale alla condotta (= tubo piezometro), l’acqua
tende a salire nel tubicino fino ad un’altezza
“piezometrica”, per effetto della pressione.
In una condotta forzata, inserendo un tubo di Pitot, il
liquido sale per effetto sia della pressione idrostatica che
dell’energia cinetica. Per determinare la sola altezza
cinetica, quindi, è necessario sottrarre l’altezza
piezometrica determinata nella stessa condotta con un
piezometro.
I carichi idraulici
Inserendo dei tubi di Pitot lungo le condotte come in figura, se, come nel primo caso, l’uscita
del liquido è impedita da una saracinesca chiusa, il liquido si alzerà fino alla quota geodetica
del liquido nel serbatoio di alimentazione. La linea ideale che congiunge i livelli di liquido in
questo caso prende il nome di linea dei carichi idrostatici.
Se la saracinesca della condotta è aperta e l’acqua fluisce, i tubi di Pitot misureranno altezze
inferiori, perché parte dell’energia è spesa per attriti (perdite di carico). La linea ideale che
congiunge i livelli di liquido in questo caso prende il nome di linea dei carichi effettivi e
rappresenta l’energia effettiva che è possibile “spendere” in ogni punto della condotta.
Infine, inserendo dei piezometri lungo la condotta è possibile determinare idealmente la
linea piezometrica o linea dei carichi idraulici.
La determinazione della linea piezometrica in un sistema idraulico è molto importante e
rappresenta un punto fondamentale per il suo calcolo e dimensionamento. In particolare, il
tragitto delle condotte non dovrà mai innalzarsi oltre la linea piezometrica, altrimenti si
avrebbero forti rallentamenti del flusso fino a ristagni del liquido.
Applicazioni: idraulica delle condotte a pelo libero
In acquacoltura, il convogliamento dell’acqua in canali o condotte a pelo libero può essere
applicato nel caso di scarichi dell’allevamento o per l’alimentazione idraulica di sistemi a
“canaletta”, es. in troticoltura.
I canali di scarico dovrebbero essere dimensionati sulla base del massimo picco di flusso che
si può verificare durante lo scarico delle vasche o durante la loro pulizia. In genere il
massimo flusso risulta circa 10 volte rispetto il flusso medio del liquido nel canale.
Nel nostro caso, il sistema più semplice per dimensionare un canale a pelo libero, cioè per
calcolare la velocità del flusso e la portata, è l’applicazione della formula di Manning.
V = 1,486 . R 0,667 . S 0,5 / n
dove:
V = velocità media (m/s)
R = raggio idraulico (calcolato come nella figura successiva) (m)
S = pendenza (calcolata come nella figura successiva)
n = coefficiente di Manning:
0,0150 per canali in calcestruzzo
0,0225 per canali in terra
Calcolo della pendenza del canale
(S)
Calcolo del raggio idraulico (R)
Si deve tener presente che per assicurare un’efficiente auto-pulizia dei canali dovrebbero
essere garantite pendenze dell’ordine di 0,005 – 0,010 (0,5 – 1%), ma questo è spesso
difficile nelle normali situazioni acquacolturali italiane.
Infine per calcolare la portata:
Q=V.A
dove A è la sezione libera al flusso in m2.
Applicazioni: flusso dell’acqua per gravità
In un sistema di
alimentazione dell’acqua per
gravità, controllo del flusso
significa controllo sia del
livello dell’acqua nel
serbatoio di alimentazione
che della quota del sistema di
scarico.
In figura è rappresentato un
tipico sistema idraulico con
flusso per gravità, in cui è
possibile controllare il flusso
mantenendo costante il livello
liquido nella vasca di
alimentazione e variando la
quota di scarico.
Naturalmente, questo controllo risulta efficiente solo se il salto d’acqua totale (H) è decisamente
superiore alle perdite di carico totali che si verificano lungo le condutture. Le possibilità di controllo
risultano proporzionali alla variabilità della quota di scarico (h).
Applicazioni: controllo
dei livelli idrici
In figura sono rappresentati diversi
sistemi, dal più “rigido” al più
“flessibile”, per il controllo del livello
idrico nelle vasche, basati sui principi
dell’idrostatica. Tutti questi sistemi
sono efficienti se il volume della vasca
garantisce un sufficientemente elevato
tempo di ritenzione.
(1) semplice “overflow” realizzato
direttamente nella vasca; non permette
alcuna variazione del livello idrico.
(2) e (3) tubazioni di scarico (interna
od esterna) amovibili; è possibile la
regolazione del livello modificando la
lunghezza della tubazione.
(4) scarico a sifone. Questo è il
sistema più flessibile, perché il livello
idrico può essere modificato
semplicemente variando la quota di un
piccolo serbatoio ausiliario di scarico,
senza alcuna interferenza o modifica
all’interno della vasca di allevamento.
(1)
(3)
(2)
(4)
Controllo della portata allo scarico
Il controllo della portata è generalmente effettuato regolando l’apertura di valvole nei punti di
alimentazione o scarico. Questi sistemi di regolazione sono semplici, ma efficaci solo se il sistema
idraulico presenta perdite di carico trascurabili.
La portata allo scarico in un foro circolare può essere calcolata con la seguente formula:
Q = C . (D2/4) . (2gH)0,5
dove:
Q = portata allo scarico (m3/s)
C = coefficiente adimensionale pari a 0,6 - 0,7
D = diametro del foro di scarico (m)
H = quota del foro di scarico dal livello nella vasca (m)
g = accelerazione di gravità (9,81 m/s2)
ESEMPIO: Un foro sommerso del diametro di 1 cm
scarica acqua da un serbatoio ausiliario nel quale è
possibile mantenere costante un determinato livello di
liquido. Quale sarà la portata costante di scarico se il
livello di liquido viene mantenuto a 20 cm dal foro di
scarico?
Q = 0,65 . (3,14 . 0,012/4) . (2 . 9,81 . 0,2)0,5 = 0,0001 m3/s = 0,1 l/s
Riscaldamento o raffreddamento dell’acqua
In un sistema acquacolturale, la necessità di riscaldare o raffreddare
l’acqua è una necessità piuttosto frequente.
Nelle normali condizioni acquacolturali di temperatura e salinità, si può
assumere costante l’energia spesa per il riscaldamento dell’acqua.
La “caloria” è definita proprio come la quantità di calore (energia)
necessaria per innalzare da 4 a 5°C la temperatura di 1 g di H2O
1 cal = 4,186 J (nel Sistema Internazionale)
Esempio
Supponendo un sistema di riscaldamento con un’efficienza del 100%, per innalzare
la temperatura di 1 kg di acqua di 1°C vengono spese 1 kcal/s, quindi 4186 J/s, cioè
4186 W (dato che W = J/s).
Il presente
grafico permette
di calcolare per
diverse
efficienze del
sistema di
riscaldamento
(25 - 50 - 100%)
e per diversi
incrementi di
temperatura
dell’acqua (fino
a 25°C) i
consumi di
combustibile,
espressi come
“galloni al
giorno per
grammo di
acqua al
minuto”.
Fattori di conversione:
litri = gallons/3,8
litri/secondo = gpm/0,06
Esempio:
per innalzare di
5°C la
temperatura
dell’acqua con
un sistema che
presenta
un’efficienza del
50% si
consumano 1,5
gal/day.gpm,
cioè 0,024 l di
gasolio ogni litro
di acqua
alimentato al
secondo (1,5 /
3,8 . 0,06 =
0,024).
Fattori di conversione:
litri = gallons/3,8
litri/secondo = gpm/0,06
Scambiatori di calore (generalità)
Lo scambiatore di calore è un’apparecchiatura che serve a scambiare calore tra due fluidi.
Lo scambiatore consente di trasferire una certa quantità di energia da un fluido più caldo
ad uno più freddo senza avere contatto fra i due fluidi, ovvero mantenendo sempre una
parete metallica che li separa chimicamente, e quindi ne evita il mescolamento. Questo può
essere molto utile in tutti quei processi in cui abbiamo un fluido di servizio “sporco” (ad es.
acqua scarico, olio, …) e un fluido di processo che vogliamo mantenere “pulito” (ad es.
acqua di allevamento, …).
Esistono diversi tipi di scambiatore di calore. Di questi, il più semplice è lo
scambiatore tubo in tubo, costituito da un tubo esterno (carcassa esterna), in cui
scorre il fluido di servizio, al cui interno, coassialmente, vi è un tubo, in cui
scorre il fluido di processo.
La tubazione esterna non deve essere fortemente conduttrice di calore e quindi è solitamente
costituita di un metallo a bassa conducibilità termica. Il tubo interno, invece, deve condurre
con la massima facilità il calore per favorire lo scambio termico, ed è, pertanto, costituito di
rame o alluminio, cioè di materiali ad altissima conducibilità termica.
Gli scambiatori di calore possono essere:
- in equicorrente
(quando i fluidi scorrono nella stessa direzione)
- in controcorrente
(quando scorrono in direzioni opposte)
Dal punto di vista del calcolo si deve distinguere il calcolo energetico dal calcolo termico.
Il calcolo energetico si basa su un concetto fondamentale: tanto calore cede un fluido, tanto
ne assorbe l’altro. Il calcolo termico, invece, richiede uno studio più approfondito, poiché
richiede il calcolo dei coefficienti di convezione, delle resistenze termiche ed infine
perviene al dimensionamento delle superfici di scambio. Si vengono a distinguere, perciò,
due tipi di dimensionamento di uno scambiatore: quello energetico, piuttosto semplice, e
quello termico, più complesso.
Per quanto riguarda le caratteristiche termiche, poi, è necessario distinguere tra scambiatori
di calore in equicorrente e scambiatori di calore in controcorrente.
Considerando lo scambiatore in
equicorrente (entrambi i fluidi
scorrono nella stessa direzione), si
può costruire un diagramma, in cui
in ascissa si ha la distanza x, che
arriva ad L (lunghezza dello
scambiatore), mentre in ordinata si
ha la temperatura.
Dal diagramma risulta chiaro che il ΔT è altamente variabile: il flusso termico locale è,
pertanto, fortemente variabile. All’inizio, dove c’è una differenza di temperatura esagerata,
il flusso sarà estremamente vivace e lo scambio termico molto alto, dopo, quando la
differenza di temperatura diminuisce sensibilmente, il flusso diventa piatto, le due curve
tendono a divenire due rette parallele e i fluidi scambiano poco calore.
Nello scambiatore in controcorrente si fanno scorrere i due fluidi in direzioni opposte: il
fluido di processo (A) entra normalmente a sinistra ed esce a destra, mentre il fluido di
servizio (B) scorre da destra verso sinistra. Il diagramma della temperatura in funzione
della distanza x risulta diverso rispetto a quello appena visto per lo scambiatore in
equicorrente.
Per il fluido A, la situazione non è cambiata,
come è rispecchiato nel diagramma. La
temperatura del fluido B, invece, assume un
comportamento ben diverso: entra alla
distanza L con una temperatura TB1 ed esce
all’ascissa 0 con temperatura TB2
Si nota immediatamente un’importante differenza: mentre per lo scambiatore in
equicorrente la differenza di temperatura variava notevolmente, per lo scambiatore in
controcorrente questa differenza rimane pressoché costante in tutti i punti dello scambiatore
stesso.