Nella progettazione di uno scambiatore di calore a tubi alettati, il coefficiente di scambio termico tra il fluido esterno al tubo e il fluido all'interno del tubo spesso differisce in modo significativo. Il coefficiente di scambio termico si riferisce alla capacità di scambio termico per unità di superficie e per unità di differenza di temperatura (tra il fluido e la parete). È la metrica fondamentale che rappresenta l'efficacia con cui un fluido scambia calore con una superficie solida.

Per capirlo, diamo un'occhiata ai coefficienti di scambio termico tipici per le diverse condizioni del fluido:

• Condensa dell'acqua su una parete: 10.000 - 20.000 W/(m²·℃)
• Acqua bollente su una parete: 5.000 - 10.000 W/(m²·℃)
• Acqua che scorre attraverso un tubo: 2.000 - 10.000 W/(m²·℃)
• Aria o gas di scarico che attraversano una parete: 20 - 80 W/(m²·℃)
• Aria in convezione naturale: 5 - 10 W/(m²·℃)

Come mostrano i dati, la capacità di scambio termico varia drasticamente a seconda del fluido.

Ora, immagina uno scenario pratico di trasferimento di calore industriale: all'interno di un tubo nudo, l'acqua scorre con un elevato coefficiente di trasferimento di calore di 5.000 W/(m²·℃). All'esterno del tubo circolano fumi con un coefficiente di soli 50 W/(m²·℃). Questa è una differenza di 100 volte! Sia che il calore si muova dall'interno verso l'esterno o viceversa, dov'è il "collo di bottiglia" o la resistenza termica in questo processo?

La risposta è il lato del gas. Poiché i gas di scarico hanno una capacità di trasferimento del calore così bassa, limitano fortemente il tasso di scambio termico complessivo.

Possiamo paragonarlo alla resistenza elettrica in un circuito in serie: se un resistore è molto più grande degli altri, diventa il collo di bottiglia per la corrente. L'unico modo per aumentare la corrente totale è ridurre quella specifica resistenza dominante. Il processo di trasferimento del calore funziona esattamente allo stesso modo.

Come possiamo superare questo collo di bottiglia e ottenere un migliore trasferimento di calore? Il metodo più efficace è quello di utilizzare superfici estese sul lato gas, in altre parole, utilizzando tubi ad alette. Aggiungendo alette all'esterno del tubo base, l'effettiva area di trasferimento del calore viene moltiplicata più volte rispetto a un tubo nudo. Anche se il coefficiente di trasmissione del calore intrinseco dei gas di scarico rimane basso, la superficie notevolmente aumentata lo compensa. Ciò aumenta notevolmente l’efficienza complessiva del trasferimento di calore, riduce il consumo di metallo delle apparecchiature e migliora la redditività economica dell’intero sistema termico.