Modulo 0.5: Richiami di componentistica. Scambiatori di calore

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1 Corso di Impianti Meccanici Laurea Triennale e Magistrale Modulo 0.5: Richiami di componentistica Scambiatori di calore Prof. Ing. Cesare Saccani Prof. Ing. Augusto Bianchini Ing. Marco Pellegrini Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

2 Generalità Lo scambiatore di calore è un componente che realizza il trasferimento di energia termica tra due fluidi a temperatura differente. Lo scambio termico tra i due fluidi può avvenire tramite miscelazione diretta dei fluidi stessi (scambiatori a contatto diretto o a miscela) oppure attraverso una superficie che separa fisicamente i due fluidi (scambiatore a contatto indiretto o a superficie). 2

3 Scambiatori a contatto diretto o a miscela Un esempio tipico di scambiatore a miscela è il degasatore, solitamente presente in impianti per la produzione di energia con turbina a vapore. Scambio di massa e non di superficie 3

4 Negli scambiatori a miscela è determinante il livello di atomizzazione delle particelle, allo scopo di incrementare la superficie di scambio. Superficie delle goccioline generate da 1 litro di acqua (S) [m2] Superficie totale delle goccioline nebulizzate da un litro di acqua Volume di acqua (V): 0,001 [m 3 ] Diametro della gocciolina atomizzata (d): ascissa Numero di goccioline (#): 6V/Πd 3 Superficie goccioline (s): Πd 2 Superficie occupata dalle goccioline (S): s# S=6d ,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 Diametro gocciolina (d) [mm] 4

5 Negli scambiatori a miscela è determinante il livello di atomizzazione delle particelle, allo scopo di incrementare la superficie di scambio. Superficie delle goccioline generate da 1 litro di acqua (S) [m2] Superficie totale delle goccioline nebulizzate da un litro di acqua Volume di acqua (V): 0,001 [m 3 ] Diametro della gocciolina atomizzata (d): ascissa Numero di goccioline (#): 6V/Πd 3 Superficie goccioline (s): Πd 2 Superficie occupata dalle goccioline (S): s# S=6d ,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 0,008 0,009 0,01 Diametro gocciolina (d) [mm] 5

6 Scambiatori a contatto indiretto o a superficie Gli scambiatori a superficie sono di gran lunga i più diffusi. Possono essere classificati per modello costruttivo: - a doppio tubo; - a fascio tubiero; - a piastre; - a superfici alettate; - Scambiatore a doppio tubo Scambiatore a fascio tubiero Scambiatore a piastre Scambiatore a superfici alettate 6

7 Scambiatori a contatto indiretto o a superficie Inoltre, si distinguono per profilo termico in: - equicorrente; - controcorrente; - flusso incrociato. Equicorrente Controcorrente Flusso incrociato 7

8 8 Scambiatori di calore Scambiatore di calore a piastre

9 9 Scambiatori di calore Scambiatore di calore a piastre Scambiatori a piastre di diverse taglie Conformazione della singola piastra Piastra corrugata Fluido caldo (gas metano compresso) Fluido freddo (acqua)

10 Scambiatore di calore a piastre 10

11 Scambiatore di calore a piastre Il fluido caldo lambisce la parte anteriore della piastra Il fluido freddo (in trasparenza) lambisce la parte posteriore della piastra 11

12 Scambiatore di calore a piastre Differenti tipologie di corrugazione delle piastre canale angolo di inclinazione del canale Angolo di inclinazione del canale Perdita di carico minore con piccolo angolo di inclinazione L inclinazione e il numero dei canali determina la perdita di pressione del fluido nell attraversamento dello scambiatore 12

13 Scambiatore di calore a piastre Dimensionamento scambiatore in controcorrente potenza termica scambiata dal fluido caldo Q mccc T ic T uc si determina la portata di fluido freddo m f c f T Q if T uf si valuta il coefficiente di trasmissione K 1 c 1 s 1 f 13

14 Il coefficiente di scambio termico globale K K=1/[(1/α c )+(s/λ)+(1/α f )] α: coefficiente di convezione, dipende da tipo di fluido, velocità e pressione; λ: conduttività termica, dipende dal tipo di materiale e dalla temperatura. Il coefficiente di convezione è difficile da determinare: pertanto, anche il coefficiente di scambio termico globale risulta di difficile determinazione. Fluidi K, [W/m 2 K] Acqua-acqua Acqua-olio Gas-gas Liquido condensante-acqua Acqua-aria (scambiatore alettato)

15 Scambiatore di calore a piastre Dimensionamento scambiatore in controcorrente si determina il salto medio logaritmico T m 2 2 ln 1 1 si valuta la superficie di scambio Legenda pedici: u: uscita i: ingresso c: caldo f: freddo S K Q Tm in relazione alle piastre scelte si calcola la perdita di carico nell attraversamento dello scambiatore per i due fluidi p c perdita di carico fluido caldo p f perdita di carico fluido freddo 15

16 Condensatori Negli impianti frigoriferi vengono utilizzati scambiatori di calore come quello mostrato in figura. In genere come fluidi refrigeranti si utilizzano acqua o aria, a causa della loro reperibilità e del loro basso costo. 16