W jaki sposób ciepło (lub zimno) jest przenoszone w wymienniku ciepła?

Z praktyki wiadomo, że dopóki istnieje różnica temperatur, następuje spontaniczne przekazywanie ciepła. Ponadto ciepło jest zawsze przenoszone z płynu o wyższej temperaturze do płynu o niższej temperaturze. Różnica temperatur jest siłą napędową wymiany ciepła.
Proces wymiany ciepła trzech wymienników ciepła: międzyściennego, akumulacyjnego i hybrydowego nie jest dokładnie taki sam, ale podstawowe prawo jest nadal takie samo. Jako przykład do analizy najszerzej stosowany międzyścienny wymiennik ciepła. Jak pokazano na fig. 38, ciepło jest przenoszone z gorącego płynu do zimnego płynu przez ścianę (np. ścianę rury lub ścianę płyty), a zimne i gorące płyny zazwyczaj przepływają w przeciwnych kierunkach. Cały proces wymiany ciepła można podzielić na trzy etapy:
Etap 1: Gorący płyn (temperatura tn) przekazuje ciepło Q do ściany 1 (temperatura tw1). Zwykle ten płyn i ściana wynikają z różnicy temperatur pomiędzy procesem wymiany ciepła zwanym konwekcyjnym przenoszeniem ciepła (lub przenoszeniem ciepła powierzchniowego). Proces ten obejmuje zarówno względne przemieszczenie różnych części płynu (cząsteczek płynu pomiędzy ruchem a mieszaniem) spowodowane przenoszeniem ciepła (tzw. konwekcją, głównie w środku rury), w tym przewodzeniem ciepła w płynie (zachodzi głównie w w bezpośrednim sąsiedztwie ścianki rury, przepływ płynu w tej części jest bardzo powolny), więc konwekcja i przewodzenie ciepła pełnią zintegrowaną rolę. To jest jak bystrza rzeki, w środku rzeki dużo wiruje, mieszają się ze sobą bardzo intensywnie; a im bliżej brzegu tym przepływ jest wolniejszy, blisko brzegu cienką warstwę można uznać za brak przepływu.
Etap 2: Ciepło Q jest przekazywane ze ściany 1 przez wnętrze ściany naczynia do ściany 2 (temperatura tw2). Ten proces wymiany ciepła wewnątrz ciała stałego, wyłącznie poprzez zderzenia molekularne, nazywany jest przewodnością cieplną (lub przenoszeniem ciepła). Przewodzenie ciepła może zachodzić również w cieczach i gazach, chociaż czyste przewodzenie ciepła jest możliwe tylko w płynach stacjonarnych.
Etap 3: Ciepło jest przekazywane ze ściany 2 do zimnego płynu (temperatura tf2) w procesie konwekcyjnego przenoszenia ciepła.
Można zauważyć, że proces wymiany ciepła w międzyściennych wymiennikach ciepła składa się z reguły z trzech etapów: konwekcja-przewodzenie-konwekcja i zachodzi jednocześnie. Przykładowo w wymienniku płytowo-żebrowym powietrze przekazuje ciepło najpierw do żeberek i przegrody, a następnie do gazu powrotnego, dzięki czemu tlen, czysty azot i zanieczyszczony azot ponownie się nagrzewają, a temperatura powietrza obniżona w wyniku wydzielania się ciepła. Proces wymiany ciepła typu magazynowania ciepła to: konwekcja – przewodzenie ciepła (akumulowanie ciepła lub egzotermiczne) – konwekcja i kończy się dwoma cyklami. Mieszany proces wymiany ciepła jest bardzo złożony, ale obejmuje również parowanie lub kondensację nośnika, przemianę fazową, proces przenoszenia masy, a przemiana fazowa wymaga również absorpcji lub uwolnienia ciepła. Na przykład w wieży chłodniczej, w której do jednoczesnego chłodzenia wody wykorzystuje się azot, część wody zostaje odparowana w wyniku odparowania do azotu i pochłania ciepło, w wyniku czego temperatura wody ulega dalszemu obniżeniu.