Meccanismi di trasferimento: Conduzione

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1 Scambio Termico Si ha trasmissione di calore, all interno dello stesso corpo o fra due corpi differenti posti in contatto, quando sussiste una differenza di temperatura. Esistono tre meccanismi di scambio termico: Conduzione: il calore si trasmette senza che si abbia un movimento macroscopico di materia, avviene nei solidi e nei fluidi in quiete. Convezione: avviene attraverso il moto di vari elementi costituenti la materia, può essere naturale se il movimento è spontaneo oppure forzata se il movimento è indotto. Irraggiamento: in questo caso il calore si trasmette in maniera simile alla propagazione delle onde elettromagnetiche, il trasferimento può avvenire anche nel vuoto (radiazione solare). Nella maggior parte dei processi industriali il calore viene trasmesso per convezione dove due fluidi vengono posti in contatto attraverso una superficie di scambio.

2 Meccanismi di trasferimento: Conduzione Nella conduzione il calore viene trasmesso attraverso il movimento di molecole adiacenti, può avvenire fra solidi liquidi e gas. Nei gas il trasferimento avviene dalle molecole più calde a cui è associato un maggiore movimento e livello energetico a quelle più fredde a più basso livello energetico. Questo tipo di trasferimento avviene in tutti i solidi, liquidi e gas in cui esiste un gradiente di temperatura. Nella conduzione l energia può essere inoltre trasferita attraverso gli elettroni liberi, questo fenomeno è rilevante nei solidi metallici. Esempi di conduzione sono: trasferimento di calore attraverso le pareti di uno scambiatore di calore o di un refrigeratore, etc. Legge di Fourier per la conduzione in fluidi o solidi: q x A = k dt dx q x è il calore trasferito nella direzione x (W), A è la sezione normale alla direzione del flusso di calore (m 2 ), T è la temperatura (K), x la distanza (m) ekla conduttività termica (W/m K).

3 Conduzione attraverso una lastra piana q T 1 x T 2 Considerando la conduzione di calore attraverso una lastra piana di sezione e conducibilità termica costante pari rispettivamente a A e k, l equazione di Fourier può essere scritta come: q A = k ( T 1 T 2 )= k ( x 2 x 1 x T 1 T 2 ) Ossia la temperatura varia linearmente con la distanza T 1 T 2 Distanza (m) x

4 Meccanismi di trasferimento: Conduzione In = q x x x Out = q x x + x La quantità dt/dx è chiamata gradiente di temperatura nella direzione x, mentre il segno meno nell equazione di Fourier è dovuto al fatto che nella direzione del flusso di calore la temperatura diminuisce.

5 Conduzione attraverso solidi in serie q T 1 A B C T 2 T 3 x A x B x C T 4 Considerando una parete costituita da differenti materiali il calore trasferito da uno strato all altro è costante in quanto non c è accumulo o generazione di calore quindi si può scrivere l equazione di Fourier nella forma: q = k A A ( T 1 T 2 )= k B A ( T 2 T 3 )= k C A ( T 3 T ) 4 x A x B x C

6 Conduzione attraverso solidi in serie Esplicitando le singole forze motrici e sommandole membro a membro si ottiene: ( T 1 T 2 )= q x A k A A ; ( T 2 T 3 )= q x B k B A ; ( T 3 T 4 )= q x C k C A ( T 1 T 4 )= q x A k A A +q x B k B A +q x C k C A = q x A k A A + x B k B A + x C k C A q = ( T 1 T 4 ) x A k A A + x B k B A + x C k C A = ( T 1 T 4 ) R A + R B + R C

7 Meccanismi di trasferimento: Convezione Nella convezione si ha un mescolamento macroscopico di elementi fluidi più caldi con elementi più freddi. Solitamente è un meccanismo correlato allo scambio di calore fra una superficie solida e un liquido o un gas. Vengono distinti due tipi di convezione; quella forzata in cui il fluido viene costretto a fluire su una superficie solida da una pompa, un ventilatore o un generico apparecchio meccanico e quella naturale in cui gli elementi di fluido caldi e freddi si muovono in relazione alla loro differenza di densità. Esempi di convezione sono il raffreddamento del radiatore della macchina attraverso la ventola, il raffreddamento del caffè quando soffiamo sulla sua superficie etc. Legge di Fourier per la convezione in fluidi: q = h A (T w -T f ) T w è la temperatura della parete solida mentre T f è la temperatura di bulk ossia del fluido indisturbato, h è il coefficiente di trasferimento convettivo (W/m 2 K).

8 Meccanismi di trasferimento: Convezione Il coefficiente h dipende dalla geometria del sistema, dalle proprietà del fluido, dalla velocità del fluido e dalla differenza di temperatura. Molto spesso la valutazione di questo coefficiente avviene attraverso relazioni empiriche. Meccanismo h (W/m 2 K) Vapore condensante Organici condensanti Acqua in movimento Aria ferma Aria in movimento

9 Apparecchiature per lo scambio termico Le apparecchiature in cui vengono realizzate le operazioni di scambio termico sono chiamate scambiatori di calore e possono essere classificati sia in funzione del servizio che svolgono, sia in base alla loro forma costruttiva. Funzione: Scambiatori di calore, condensatori, refrigeranti, ribollitori, vaporizzatori, riscaldatori e recuperatori di calore. Design: a camicia, a tubi singoli, a fascio tubiero, a piastre, a spirale, a superficie raschiata. La scelta e la progettazione delle apparecchiature si scambio termico viene eseguita in modo tale che l apparecchio assicuri non solo il servizio richiesto, ma soddisfi anche altri requisiti come la resistenza meccanica e chimica, le limitazioni di caduta di pressione, le esigenze di ingombro e in genere la corrispondenza fra la soluzione ottimale dal punto di vista economico che garantisca la sicurezza dell impianto.

10 Scambiatori a camicia Sono ottenuti mediante saldatura di una camicia piana o curva. Le maggiori applicazioni si hanno su apparecchi con superfici lisce e di facile pulizia (reattori, cristallizzatori) e spesso dotati di un sistema di agitazione. Inconvenienti maggiori si hanno nella pulizia del sistema di scambio termico, nelle operazioni di saldatura dei tubi alla parete che per superfici con spessori ridotti possono causare deformazioni.

11 Scambiatori a tubi singoli concentrici E il più semplice dispositivo di scambio termico, è costituito da 2 tubi concentrici in cui passano 2 fluidi a temperature diverse. La loro superficie è costituita rispettivamente per il tubo più interno da una parete di metallo termoconvettore mentre per quello più esterno da un materiale termoisolante. Questo tipo di meccanismo è molto usato nell'industria alimentare in quanto il tubo interno si mantiene intatto dalle incrostazioni ottenendo così un ottimo livello di igiene. L'assenza delle stesse è dovuta al fatto che il tubo è completamente accessibile e facilmente lavabile. Tubo esterno Tubo interno 2 1 e ¼ 2 e ½ 1 e ¼

12 Scambiatori a doppio tubo multiplo Sono un estensione del doppio tubo semplice e sono ottenuti connettendo mediante dei tubi ad U i i tubi interni e mediante connessioni a T quelli esterni. Sono sicuramente di semplice assemblaggio ma la superficie di scambio realizzabile è alquanto limitata (20-30 m 2 ) diversamente l ingombro dell apparecchiatura risulterebbe proibitivo. Nel caso in cui il tubo esterno sia saldato a quello interno la pulizia meccanica non è realizzabile per cui è norma inviare in esso il fluido meno sporcante in modo da ridurre la frequenza dei lavaggi chimici.

13 Scambiatori a fascio tubiero Sono formati da un insieme di tubi (fascio) ancorati alle estremità su due piastre tubiere e contenuti in un unico tubo esterno di grandi dimensioni chiamato involucro o mantello. Due coperchi a fondo piano o bombato chiudono lo scambiatore fissandosi alle piastre e al mantello.

14 Scambiatori a fascio tubiero In relazione al fissaggio fra il coperchio dello scambiatore e la piastra tubiera, gli scambiatori si dividono in: a testa fissa (BEM) a testa flottante (BES) a tubi ad U (BEU) Scambiatori a testa fissa E il classico tipo di scambiatore con i tubi fissati alle piastre che, a loro volta sono fissate al mantello. Il blocco non risulta smontabile, la pulizia pertanto può essere fatta con spazzole rotanti all interno dei tubi e attraverso chemicals al loro esterno.

15 Scambiatori a testa flottante Sono caratterizzati dall avere solo una testata fissata al mantello, l altra è libera di muoversi e dilatarsi liberamente. Il fascio tubiero può essere sfilato completamente dal mantello aprendo lo scambiatore dal lato della testa fissa. Rispetto agli scambiatori a testa fissa, quelli a testa flottante hanno un costo di produzione maggiore di circa il 30%.

16 Scambiatori a tubi a U Sono caratterizzati da un fascio tubiero ripiegato ad U in modo tale che entrambe le estremità dello stesso tubo confluiscano verso l unica piastra tubiera ancorata per mezzo di una flangia al mantello. Il fascio tubiero è libero di scorrere per cui non si creano tensioni dovute alle dilatazioni termiche, inoltre la possibilità di sfilare completamente il fascio permette una facile pulizia del mantello. La presenza della curva invece consente una difficile manutenzione all interno dei tubi, per questo devono essere preferiti fluidi poco sporcanti.

17 Fissaggio Tubi Piastra Tubiera Durante l esercizio dello scambiatore le piastre tubiere sono sollecitate dalla pressione del fluido lato tubi e di quello lato mantello, questo comporta la possibilità di trafilamenti e quindi scambi di materia fra i fluidi. Questo fatto implica due conseguenze principali: - la contaminazione del prodotto - la possibilità di esplosioni Per evitare problemi di sicurezza è quindi molto importante il modo in cui il tubo e la piastra vengono uniti.

18 Fissaggio Tubi Piastra Tubiera

19 Fissaggio Tubi Piastra Tubiera Rivettazione All interno del foro praticato sulla piastra vengono fatte delle scanalature e si infila il tubo. Attraverso una rivettatrice (mandrino) si forza il tubo all interno delle scanalature assicurando così il fissaggio. E un metodo molto semplice da realizzarsi, ma presenta lo svantaggi come una tenuta difficoltosa e la possibilità che la deformazione del materiale dei tubi costituisca un punto di maggiore attacco per corrosione. Inoltre una sensibile differenza di temperatura fra tubi e mantello provoca delle differenti dilatazioni termiche per cui i tubi sono sollecitati ad uscire dalle loro sedi. Per evitare lo sfilamento di tubi vengono costruite piastre più spesse in modo da aumentare la superficie di contatto fra piastra e tubo.

20 Fissaggio Tubi Piastra Tubiera Saldatura I tubi vengono disposti nei fori e vengono saldati in corrispondenza della loro estremità superiore. Il metodo è costoso e impone dei limiti nella massima vicinanza dei tubi infatti occorre uno spazio sufficiente all operatore che esegue la saldatura. La tenuta viene verificata attraverso radiografie.

21 Fissaggio Tubi Piastra Tubiera Piastre ventilate Vengono accoppiate due piastre ad una certa distanza tra loro, lo spazio intermedio serve come sfogo per il fluido che dovesse trafilare dalla piastra prossima all uscita del tubo. E un metodo molto costoso utilizzato solo quando il contatto fra i due fluidi può causare esplosioni.

22 Giunto di dilatazione Al fine di ridurre gli stress meccanici dovuti alle espansioni termiche differenziali fra mantello e tubi vengono montati sul mantello dei giunti flessibili in grado di assorbire le variazioni dimensionali. I compensatori di dilatazione assiale agiscono solo nella direzione del proprio asse. Poiché essi possono assorbire dilatazioni di modesta entità, trovano applicazione specialmente in tratti di tubo o collegamenti di apparecchiature che siano di breve lunghezza e perfettamente rettilinei.

23 Diaframmi (baffles) I diaframmi o setti vengono posti nel mantello per dirigere il flusso attraverso i tubi e allo stesso tempo aumentare la velocità lato mantello e quindi incrementare lo scambio termico. Nel caso di scambiatori orizzontali hanno una funzione di sostegno per il fascio tubiero e di riduzione delle vibrazioni.

24 Diaframmi - orifizio Sono costituiti da un disco circolare forato per il passaggio dei tubi. Il diametro dei fori è 2-3 mm maggiore rispetto a quello dei tubi in questo modo il fluido lato mantello scorre nella sezione anulare compresa fra il tubo e il setto. Questa tipologia non è molto utilizzata a causa delle alte perdite di carico, del possibile danneggiamento dei tubi in corrispondenza dei fori e della difficoltà di pulizia. Disco e corona Il disco e la corona vengono ottenuti dalla stessa piastra circolare e disposti in modo alternato lungo il fascio tubiero. La differenza fra il diametro dei fori della piastra e quella dei tubi è molto piccola (circa 0.8 mm). Non sono molto utilizzati a causa dello sporcamento e della difficoltà nella loro manutenzione.

25 Diaframmi tagliati E la tipologia più utilizzata e sono ottenuti da una piastra circolare alla quale viene eliminato uno o più segmenti. L entità del segmento mancante viene individuata come percentuale del diametro o dell area trasversale del mantello. Il taglio del segmento produce una finestra fra mantello e il setto. L area delle finestre determina la velocità del fluido in direzione parallela, mentre la distanza fra due setti consecutivi determina la velocità del flusso incrociato. Esistono differenti tipologie di diaframmi tagliati: Singolo segmento Doppio segmento Triplo segmento Nessun tubo nelle finestre

26 Scambiatori a piastre Gli scambiatori di calore a piastre sono composti da una serie di piastre dove i fluidi scorrono in controcorrente, in canali alternati. Le piastre sono provviste di guarnizioni che impediscono la fuoriuscita dei fluidi all esterno ed inoltre, fanno in modo che i 2 fluidi non si mescolino mai. Per la loro particolare conformazione, gli scambiatori a piastre presentano dei coefficienti di scambio molto elevati. Presentano il notevole vantaggio di poter addizionare o rimuovere piastre per modificare la superficie di scambio. Per la tipologia costruttiva, il loro utilizzo è comunque limitato dalla pressione e temperatura di esercizio (P< 25 bar;t<250 C).

27 Scambiatori a piastre elementi costitutivi 1 Piastra fissa 2 Piastra mobile 3 Barra di serraggio 4 Barra portante 5 Colonna di sostegno 6 Connessione alle tubazioni 7 Piastre di scambio

28 Tipologie di piastre Ogni piastra presenta un area di distribuzione nella sua parte superiore e nella parte inferiore che indirizza il flusso del fluido lungo tutta la lunghezza della piastra, sia in parallelo che in diagonale.

29 Scambiatori a piastre vantaggi Perdite e malfunzionamenti sono facilmente riconoscibili dall esterno. Flessibilità nel design raggiungibile con la numerosa varietà di piastre disponibili. Area di scambio facilmente accessibile e modificabile secondo le esigenze impiantistiche. Alta efficienza di trasferimento termico a causa dell alta turbolenza raggiungibile in entrambi i fluidi. Dimensioni ridotte e basso peso, una superficie di scambio di 2500 m 2 è realizzabile in una singola unità (minore ingombro, fondazioni ridotte). Non necessitano di isolamento termico. Minore sporcamento a causa dell alta turbolenza e del basso tempo di permanenza dei fluidi nell apparecchiatura. Più di due fluidi possono essere trattati in un unità singola.

30 Scambiatori a piastre svantaggi La presenza delle guarnizioni limita il campo operativo di temperatura ( C) e pressione, così come la natura dei liquidi trattabili. Uno dei limiti maggiori è la dimensione, infatti esiste un limite tecnico nella dimensione in cui le piastre possono essere stampate. Questo tipo di scambiatori non sono adatti per applicazioni aria-aria o gas-gas, per fluidi viscosi. A causa dell alta turbolenza raggiungibile, si può avere un alta erosione della superficie di scambio. Il design non è conosciuto e ben studiato come per gli scambiatori a fascio tubiero.

31 Raffreddatori ad aria

32 Raffreddatori ad aria Vantaggi: Economicità del refrigerante Nessun limite su T in uscita Semplicità dell apparecchiatura Sporcamento ridotto (non sempre) Svantaggi: Basso c p dell aria => alette => grandi aree T dell aria non controllabile Rumorosità

33 Scambiatori a superficie raschiata Sono scambiatori utilizzati per fluidi ad alta viscosità, quando è presente una cristallizzazione o in tutti quei casi in cui lo sporcamento è il fattore limitante per un corretto scambio termico. In questo tipo di scambiatore una lama rotante provvede alla pulizia della superficie di scambio, la sostanza rimossa viene accumulata nel fondo dello scambiatore e quindi estratta. Trovano applicazione in numerose industrie alimentari come caramelle, burro di noccioline, formaggi, etc. La presenza del motore li rende sicuramente costosi, ingombranti e soggetti ad una maggiore manutenzione.

34 Scambiatori a spirale Sono formati da due piastre avvolte come mostrato nel disegno. Il fluido freddo fluisce dall esterno verso l interno, mentre quello caldo dall interno verso l esterno limitando la necessità di coibentazione. Vengono utilizzati per piccole portate in sistemi viscosi. Oltre alla disposizione a piastre è possibile pure quella in cui i tubi sono avvolti a spirale. Sono scambiatori costosi a causa della loro costruzione particolare e hanno un intervallo di utilizzo per la pressione e la temperatura limitato (P fino a 15 bar; T fino a 500 C).