Com a dispositiu clau per a la transferència de calor entre diferents fluids, el principi de disseny d'un intercanviador de calor es basa en la termodinàmica, la transferència de calor i la mecànica de fluids. Té com a objectiu aconseguir una transferència d'energia eficient, fiable i econòmica mitjançant una configuració estructural raonable i una concordança de paràmetres. El procés de disseny no només ha de complir els requisits del procés de temperatura, pressió i característiques del mitjà, sinó que també ha de tenir en compte l'eficiència de la transferència de calor, el control de la caiguda de pressió, la durabilitat del material i el cost de fabricació, formant un enfocament d'enginyeria de sistemes optimitzat per a múltiples objectius.
El nucli del principi de disseny és, en primer lloc, entendre el mecanisme de transferència de calor. La calor es transfereix del fluid d'alta-temperatura al fluid de baixa-temperatura a través de la interfície. La velocitat de transferència està determinada per la llei del refredament de Newton i la llei de la conductivitat tèrmica de Fourier, i està influenciada per la diferència de temperatura, l'àrea de transferència de calor, el coeficient global de transferència de calor i l'estat del flux del fluid. El coeficient de transferència de calor global reflecteix de manera integral els efectes superposats de la resistència a la transferència de calor convectiva, la resistència a la transferència de calor conductora i la resistència a l'encrassement. Per tant, en el disseny, aquest coeficient s'ha de millorar optimitzant l'estructura del canal de flux, millorant les pertorbacions, seleccionant materials d'alta conductivitat tèrmica i controlant l'encrassement.
En segon lloc, implica equilibrar el cabal i la caiguda de pressió. Els patrons de flux de fluids calents i freds dins d'un intercanviador de calor es poden classificar en co-corrent, contra-corrent, flux-creuat i flux mixt. Les disposicions a contra-corrent aconsegueixen la diferència màxima de temperatura mitjana i milloren l'eficiència de la transferència de calor, però s'han de tenir en compte les limitacions estructurals i l'encreuament de la temperatura. La selecció de la secció transversal-del canal de flux, el diàmetre de la canonada, l'espaiat entre plaques i la forma de l'aleta afecta directament la distribució de la velocitat i la caiguda de pressió. Els dissenyadors han de trobar la solució òptima entre millorar el rendiment de la transferència de calor i reduir el consum d'energia de la bomba o del ventilador per evitar una caiguda de pressió excessiva que provoqui un augment del consum d'energia.
La selecció estructural és un component crucial del principi de disseny. Les estructures de-i-tubs són robustes, tenen una resistència a la pressió i un rang de temperatures amplis, i són adequades per a condicions de flux alt-, alta-temperatura i-alta pressió. Les estructures de plaques són compactes, tenen uns coeficients de transferència de calor elevats i són fàcils de desmuntar i netejar, la qual cosa les fa adequades per a aplicacions amb espai-restringit i de manteniment freqüent. Les estructures amb aletes milloren la transferència de calor-de l'aire en expandir la superfície i s'utilitzen habitualment per a l'intercanvi de calor de gas-líquid. La selecció del material s'ha de basar en la corrosivitat del medi, la temperatura i les condicions de pressió. Els materials que s'utilitzen habitualment inclouen acer al carboni, acer inoxidable, aliatges de coure, titani i aliatges especials, que es poden complementar amb recobriments o revestiments anticorrosió per millorar la durabilitat.
A més, el disseny ha de tenir en compte el control de la contaminació i el manteniment. Mitjançant l'ús d'un disseny de cabal, un acabat superficial i estratègies de neteja regulars, es pot mitigar l'impacte de l'acumulació d'encrasses en el rendiment de la transferència de calor. L'espai operatiu s'ha de reservar en estructures desmuntables o rentables per facilitar el manteniment futur.
Els dissenys moderns incorporen cada cop més simulacions numèriques i algorismes d'optimització per dur a terme anàlisis multi-física de la temperatura, el cabal i la caiguda de pressió, que permeten una predicció precisa de la transferència de calor i la resistència, i la iteració estructural.
En resum, el principi de disseny dels intercanviadors de calor es basa en les lleis de transferència i flux de calor, tenint en compte exhaustivament les restriccions estructurals, materials i de condicions de funcionament per a l'optimització multi-objectiu. Això garanteix una transferència d'energia eficient, fiable i econòmica alhora que compleix els requisits del procés, proporcionant un suport sòlid per a l'estalvi d'energia i el funcionament estable dels sistemes industrials.
