Trasmissione del calore tra due fluidi in movimento separati da una parete, scambiatori a doppio tubo -HAIRPIN-

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1 Trasmissione del calore tra due fluidi in movimento separati da una parete, scambiatori a doppio tubo -HAIRPIN- Gli scambiatori di calore sono apparecchiatura la cui funzione è quella di realizzare il trasferimento di calore tra due fluidi a temperature differenti. Le apparecchiatura di scambio termico si possono classificare in: Evaporatori: utilizzati per evaporare soluzioni o concentrare soluzioni. Refrigeranti: quando un fluido di processo è raffreddato da un fluido di servizio. Condensatori: quando un vapore di processo viene condensato da un refrigerante. Riscaldatori: quando un fluido di processo viene riscaldato. Ribollitori: quando un liquido di processo viene vaporizzato da uno di servizio. 1

2 Il modello più semplice di scambiatore di calore è lo scambiatore a doppio tubo o hairpin. Esso è costituito da due tubi concentrici in cui un fluido passa all interno del tubo a sezione più piccola ed un altro attraverso quello a sezione maggiore. Tubo interno Il verso di spostamento dei due fluidi può essere concorde, in questo caso si parla di scambio in equicorrente, oppure opposto, scambio in contro corrente. Fluido 2 Fluido 1 Tubo maggiore 2

3 Riportando su grafico gli andamenti delle temperature nei due differenti casi si ottengono: tc i r s T tc i r s T tc us tf us tc us tf us tf i tf i Equicorrente Controcorrente Si osserva che nell equicorrente il salto termico tra il fluido caldo e il fluido freddo diminuisce e la tf us è sempre inferiore alla tc us. Nel controcorrente vi è una certa costanza nella differenza della temperatura. L equazione di scambio è Q = A * U * Δt ml. Si utilizza la media logaritmica perchè risponde meglio alla quantificazione del fenomeno dal punto di vista delle differenze di temperatura lungo l hairpin. 3

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5 Il Δt ml si calcola considerando le temperature di ingresso e uscita del fluido caldo e di quello freddo ( rette r ed s) Δtml = (tci tfi) (tcus tfus) (tci tfi) ln (tcus tfus) caso dell equicorrente Δtml = (tci tfus) (tcus tfi) (tci tfus) ln (tcus tfi) caso del controcorrente Si dimostra praticamente che il Δt ml calcolato con la modalità controcorrente fornisce un valore numericamente più grande, pertanto il calore Q scambiato risulta maggiore. 5

6 Il controcorrente è quindi più vantaggioso. Quando il fluido da riscaldare è termo-labile si preferisce lo scambio in equicorrente. Per capire il motivo si consideri una soluzione sottoposta a concentrazione per evaporazione dell acqua, nel controcorrente la soluzione in uscita, più concentrata viene a contatto con il fluido riscaldante che si trova nella sua massima temperatura e ciò può danneggiare il soluto. Gli scambiatori di calore, la maggior parte dei casi, sono usati come recuperatori di calore, cioè utilizzati per preriscaldare i fluidi di processo che si accingono ad essere sottoposti ad una operazione unitaria o ad un processo unitario. Altro utilizzo è il raffreddamento dei fluidi che vanno allo stoccaggio. 6

7 Scambiatori di calore E Kettle-utilizzato come vaporizzatore nelle colonne di distillazione 7

8 Gli scambiatori a fascio tubiero più semplici sono costituiti da due piastre bucherellate, che rappresentano gli estremi del fascio tubiero, il tutto contenuto nel mantello. Essendo lo scambio funzione dello sviluppo in lunghezza dei tubi, vengono costruiti scambiatori che hanno agli estremi dei tubi delle teste suddivise in due o più settori in modo che il fluido percorra, prima di uscire, più volte la lunghezza dei tubi. Gli scambiatori possono avere dimensioni di oltre 5 m, per cui sono necessari giunti di dilatazione, cioè sistemi che ammortizzano l allungamento dei tubi dovuto al calore. Un sistema è la testa flottante che permette, con movimenti in un senso e nell altro di compensare l allungamento. 8

9 Scambiatore a fascio tubiero Scambiatore a testa flottante Testa flottante Ribollitore Kettle 9

10 TIC V E Fluido di processo Scaricatore di condensa S V : Vapore Valvola servocomandata azionata dal controllo della temperatura del fluido in uscita dello scambiatore. 10

11 Q 2 Q 3 Bilancio di energia di uno scambiatore. Con le lettere Q sono indicate le quantità di calore (Entalpie) associate ai fluidi presenti. Q 1 : calore relativo al fluido riscaldante in ingresso; Q 2 : calore relativo al fluido riscaldante in uscita; Q 3 : calore relativo al fluido di processo in ingresso; Q 4 : calore relativo al fluido di processo in uscita; Q 1 E Q 4 Q 1 + Q 3 = Q 2 + Q 4 11

12 La quantità di calore Q è = massa * calore specifico * la temperatura. Sostituendo si ha: m*cp 1 *(t 1 ) + M*cp 2 *(t 3 ) = m*cp 1 *(t 2 ) + M*cp 2 *(t 4 ) m*cp 1 *(t 1 - t 2 ) = M*cp 2 *(t 4 t 3 ) Questa equazione di bilancio mette in relazione la quantità di calore persa dal fluido riscaldante con l aumento di calore del fluido di processo. Se con m si indica la massa del fluido riscaldante (acqua calda) e con M la massa del fluido di processo, l equazione di bilancio permette la determinazione, in Kg/h dell acqua calda necessaria a portare il fluido di processo da t 3 a t 4. M*cp 2 *(t 4 t 3 ) m= cp 1 *(t 1 - t 2 ) 12