Università di Roma Tor Vergata

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1 Università di Roma Tor Vergata Facoltà di Ingegneria Dipartimento di Ingegneria Industriale Corso di: TERMOTECNICA 1 SCAMBIATORI DI CALORE Ing. G. Bovesecchi gianluigi.bovesecchi@gmail.com (7249) Anno Accademico

2 Scambiatori di calore Si tratta di dispositivi che consentono il trasferimento di calore, in genere tra due fluidi, direttamente o attraverso una parete solida di separazione. La trasmissione del calore avviene per convezione tra i fluidi e la parete e per conduzione attraverso la parete stessa. Non si prendono in considerazione scambi termici per irraggiamento, tranne casi particolari, quali alcuni scambiatori per uso spaziale, dove non vi è aria, o i radiatori. Gli scambiatori possono essere classificati in base ad alcune caratteristiche importanti.

3 Scambiatori di calore Classificazione sulla base del processo di scambio Gli scambiatori possono essere a scambio diretto, quando la trasmissione del calore avviene per contatto diretto tra i due fluidi (ad esempio le torri evaporative), o indiretto, se vi è una parete di separazione tra i due fluidi, o infine per scambio rigenerativo, con un flusso intermittente tra fluido caldo e freddo attraverso un materiale intermedio che viene utilizzato per l accumulo termico.

4 Scambiatori di calore Classificazione sulla base del rapporto superficie volume Gli scambiatori si considerano compatti se il rapporto superficie volume è superiore a 700 m2/m3. Come esempio si consideri che i radiatori delle autovetture hanno un rapporto di compattezza dell ordine di 1100 m2/m3 e alcuni scambiatori in vetroceramica per turbine a gas arrivano a 6600 m2/m3. La maggiore compattezza è quella dei polmoni umani (20000 m2/m3) quasi raggiunta da quella dei rigeneratori dei motori Sterling. Uno dei sistemi per ottenere una buona compattezza è quella di inserire un alettatura sulla parete di separazione, se almeno uno dei due fluidi è un gas.

5 Scambiatori di calore Classificazione in base al tipo di costruzione Si distinguono i seguenti tipi: tubolari (o a tubi e fasciame, o tubi e mantello) a piastre (la compattezza arriva sino a 230 m2/m3) a piastre o tubi alettati (compattezza sino a 6000 m2/m3).

6 Scambiatori di calore Classificazione in base alla configurazione di moto Sono possibili le seguenti configurazioni: in equicorrente : i due fluidi scorrono in parallelo in controcorrente: i due fluidi scorrono in direzione parallela, ma in senso opposto a flusso incrociato, se i due fluidi formano un angolo all incirca retto tra di loro. In tale ultima configurazione i due fluidi possono essere entrambi non miscelati, se si suddividono in sottocorrenti che non si rimescolano prima dell uscita dallo scambiatore, uno miscelato e l altro no, o entrambi miscelati; tale ultima configurazione è molto meno probabile.

7 Scambiatori di calore Classificazione in base al meccanismo di scambio termico Possono eesere a: convezione naturale o forzata; irraggiamento, o irraggiamento e convezione combinati (ad esempio i radiatori domestici); cambiamento di fase, condensazione o ebollizione. Tali ultimi tipi prendono il nome di condensatori e generatori di vapore. I condensatori vengono utilizzati per la condensazione del vapore in uscita dalle turbine negli impianti termoelettrici basati sul ciclo Rankine (o Hirn), per impianti chimici, veicoli spaziali, etc.

8 Scambiatori a tubi coassiali: la disposizione può essere in equicorrente o controcorrente. I tubi possono essere alettati sia dal lato interno che esterno (chiaramente solo se c è convenienza a inserire le alette, cioè se i fluidi sono aeriformi. Per aumentarne la compattezza si dispongono in genere come in figura. La compattezza comunque è difficile che possa superare i m2/m3.!

9 Scambiatori a fascio tubiero: ci sono dei tubi mandrinati su due piastre tubiere, il tutto alloggiato all interno di un fasciame (o mantello). All interno del fasciame sono posti in genere dei diaframmi, piastre forate che hanno il duplice scopo di sostenere i tubi e di far effettuare al fluido esterno ai tubi (lato mantello) un percorso più tortuoso in modo che la superficie dei tubi interessata allo scambio risulti maggiore (cioè per evitare le sacche di ristagno del fluido dal lato mantello) e per aumentare la turbolenza e conseguentemente il coefficiente di scambio convettivo.

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12 ! Sempre dal lato mantello, con degli opportuni setti divisori orizzontali si può far percorrere al fluido più volte il percorso dall ingresso all uscita.

13 Più percorsi sono possibili anche dal lato tubi, sempre con setti separatori questa volta sulle camere di inversione (sono i due spazi delimitati dal mantello e dalle piastre tubiere). Ad esempio viene definito uno scambiatore 2-4 quello che presenta due passaggi dal lato mantello e quattro dal lato tubi.!

14 Un passaggio doppio dal lato tubi si può effettuare anche mediante tubi piegati a U. Il numero dei passaggi è scelto in modo tale da ottimizzare il compromesso tra alta turbolenza (e quindi elevato coefficiente di scambio convettivo h) e elevata perdita di carico (e quindi maggiori spese di pompaggio).!

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16 Scambiatori a piastre Sono costituiti da una serie di piastre metalliche opportunamente corrugate (per convogliare il flusso e aumentare la turbolenza) con quattro fori, forniti di guarnizioni generalmente di gomma, per far effettuare ai due fluidi il percorso voluto. Le guarnizioni sono sistemate in modo tale che l intercapedine tra due piastre successive sia occupata da un fluido mentre l intercapedine successiva dall altro fluido.

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19 La disposizione delle piastre e delle guarnizioni realizza una configurazione in controcorrente quasi perfetta. Vantaggi: 1. possono essere smontati per manutenzione e pulizia; 2. si possono aggiungere o togliere piastre per compensare maggiori o minori fabbisogni di superficie di scambio; 3. si riesce a produrre un alta turbolenza, con ristagno quasi nullo nelle zone morte (scarso sporcamento degli interstizi); 4. a causa della doppia guarnizione le eventuali perdite di fluido da una guarnizione è difficile che contaminino l altro fluido; 5. si realizza un tempo di permanenza entro il volume di scambio molto uniforme, per cui risultano anche adatti a trattamenti particolari dei fluidi, come cottura di alimenti, o sterilizzazione o pastorizzazione;

20 6. la forma particolare che li contraddistingue consente una facile produzione per stampaggio, e quindi costi contenuti. Svantaggi: 1. a causa delle guarnizioni in gomma possono essere utilizzati al massimo sino a 150 C e sino a 15 bar. 2. per certi modelli il costo può risultare non così conveniente rispetto ad altri tipi. Le dimensioni caratteristiche variano tra 0,032 m2 di superficie delle piastre sino a 3,63 m2.

21 Scambiatori a flussi incrociati Sono in genere costituiti da tubi alettati, anche mediante alettatura continua (costituita da un unica lastra forata saldata o giuntata ai tubi che passano nei fori). Da come sono costruiti risulta chiaro che il moto del fluido esterno al tubi è perpendicolare al tubo stesso, e quindi il flusso risulta incrociato. Sono per lo più utilizzati per scambio termico tra un liquido (intero ai tubi) e un aeriforme (all esterno).!

22 oppure tra due aeriformi.! Al primo di questi tipi (scambiatori tra un liquido e un aeriforme) appartengono i radiatori delle autovetture.

23 Scambiatori compatti Realizzano elevata compattezza, superiore a 700 m2/m3 grazie in genere all alettatura o ad una serie di passaggi di uno od entrambi i fluidi. A questa categoria appartengono anche gli scambiatori a piastre. Rigeneratori Lo scambio termico è realizzato facendo fluire alternativamente le due correnti (il fluido caldo e quello freddo) attraverso un opportuna matrice (in genere metallica) che assorbe calore da un fluido e lo cede all altra. Possono essere di tipo rotativo o alternativo. Vantaggi: dimensioni ridotte, economicità di costruzione e un effetto di autopulizia per l avvicendarsi delle correnti nella stessa zona della matrice a causa del moto alternato. Svantaggi: parziale miscelamento di un fluido con l altro, difficoltà di tenuta a causa del movimento della matrice rispetto alle correnti.

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25 Dimensionamento degli scambiatori Il problema principale degli scambiatori di calore è la loro progettazione, cioè la determinazione delle caratteristiche geometriche o di flusso che debbono avere per risolvere il problema di scambio termico per cui vengono impiegati. Esistono due tipi di progettazione: dimensionamento, o size problem, cioè date le condizioni imposte ai fluidi (tipo di fluido, temperature di ingresso e di uscita, flusso termico da scambiare, portate), di debbono determinare le dimensioni che deve avere lo scambiatore per assolvere il suo compito; verifica di funzionamento, o rate problem, cioè dato uno scambiatore (forma e dimensioni) e conoscendo le portate e le temperature di ingresso dei due fluidi, occorre determinare il flusso termico scambiato e le temperature di uscita.

26 Dimensionamento degli scambiatori Esistono due metodi utilizzati normalmente per il calcolo degli scambiatori: il metodo della differenza di temperatura media logaritmica (ΔTml), studiato specificamente per il size problem; il metodo ε-ntu, adatto al rate problem. Prenderemo anche in esame il metodo ψ-p, che raggruppa insieme i due metodi precedenti, e può essere utilizzato per ogni necessità di calcolo.

27 Dimensionamento degli scambiatori Si faranno le seguenti ipotesi: 1. i fluidi scambiano calore in regime permanente; 2. la conduttività termica è uniforme su tutta la superficie di scambio; 3. il calore specifico dei due fluidi è costante (oppure uno dei due è costante e l altro è infinito, cioè la temperatura è costante come nelle transizioni di fase); 4. lo scambiatore è considerato ideale, cioè vengono considerate trascurabili le perdite di calore verso l esterno, rispetto al calore ceduto dal fluido caldo a quello freddo; 5. non vi sono sorgenti termiche all interno dello scambiatore; 6. la velocità dei due fluidi è considerata uniforme; 7. la conduzione longitudinale (cioè lungo la direzione di scorrimento dei due fluidi) è trascurabile.

28 Dimensionamento degli scambiatori Occorre innanzi tutto considerare che negli scambiatori, il flusso termico scambiato può essere espresso in tre modi differenti, secondo che si consideri: il flusso ceduto dal fluido caldo, quello assorbito dal fluido freddo; quello trasmesso da quello caldo a quello freddo. Tali tre flussi devono coincidere se è considerata valida l ipotesi 4. Inoltre è possibile esprimere questi flussi sia in termini finiti (considerando il flusso totale scambiato) o differenziali (considerando il flusso infinitesimale scambiato in una sezione dello scambiatore).

29 Dimensionamento degli scambiatori In termini infinitesimali: dq 1 = m c c cpdt c dq 2 = ± m f c pf dt f ( dq 3 = UdA T c T f ) dove T c e T f sono rispettivamente le temperature del fluido caldo e di quello freddo nella sezione dello scambiatore che si sta esaminando. In figura sono riportate le quantità sopra elencate per scambiatori a tubi coassiali nelle due configurazioni in equicorrente e in controcorrente. Il segno ± nella seconda equazione si riferisce rispettivamente allo scambiatore in equicorrente o controcorrente della figura.

30 Dimensionamento degli scambiatori Integrando le precedenti espressioni si ottengono le analoghe quantità finite Q 1 = m c c cp Ti c Tuc Q 2 ( = m c (T f p f ( u ) f Ti f Q 3 = UA T c T f ) ) Scopo della trattazione al fine di determinare le temperature e i flussi incogniti, è calcolare la differenza di temperatura media tra fluido caldo e freddo che compare nell ultima relazione sopra scritta.

31 Dimensionamento degli scambiatori!!