Fluidi termici di servizio

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1 Fluido termico Sali fusi Fluidi termici di servizio Fluidi frigoriferi (etilene, ammoniaca, ecc.) Salamoie (soluzioni acquose di sali) Acqua refrigerata Acqua di pozzo Acqua industriale Aria Acqua demineralizzata Acqua demineralizzata (vaporizzante, per raffreddare) Vapor d acqua (condensante, per riscaldare) Oli termici Oli termici speciali (Dowtherm) Fumi di combustione (forni) Campo di impiego ( C) -80/-10-15/+5 +5/ / /+40-5/ / / / / / /+700

2 Fattori di sporcamento Fluido Acqua di fiume Acqua di mare Acqua industriale Aria e gas industriali Condensa (acqua) Fluidi termici (oli e liquidi) Gas di combustione Idrocarburi leggeri Idrocarburi pesanti Organici in fase di ebollizione Organici in fase di condensazione Salamoia di raffreddamento Soluzioni acquose di sali Vapor d acqua (privo di tracce di olio) Vapor d acqua (con tracce di olio) Vapori organici Sporcamento (m 2 K/W)

3 Sporcamento dei tubi lato mantello

4 Sporcamento lato tubi

5 Scambiatori a fascio tubiero Tipologie Se T tubi - mantello > 30 C le dilatazioni termiche differenziali possono causare lo sfilaggio dei tubi dalla piastra. Si inserisce un compensatore di dilatazione ad onda sul mantello Si utilizzano tubi ad U: difficili da pulire all interno Si utilizzano scambiatori a testa flottante: i tubi sono fissati a una piastra fissa e a una libera di muoversi all interno del mantello I fasci tubieri ad U e a testa flottante sono estraibili dal mantello per effettuare la pulizia all estreno; quelli a teste fisse no Tubi Diametro esterno: mm (spessore mm) Lunghezze standard m. Per uno scambiatore da 120 m 2 si utilizzano tubi da 4.8 m Mantello Diametro: dipende dal numero dei tubi: tra 150 mm a 1.5 m Fino a 700 mm si usano tubi commerciali, al di sopra si utilizza lamiera tagliata, sagomata e saldata. Il rapporto tra lunghezza dei tubi e diametro del mantello è 5-10

6 Compensatore di dilatazione a onda

7 Scambiatore con tubi ad U

8 Scambiatori a testa flottante Scambiatore 1-2 a testa flottante con backing device tipo AES senza backing device backing device

9 Video Scambiatori a fascio tubiero Costruzione fascio tubiero a testa flottante con clamp ring

10 Scambiatori a fascio tubiero Norme TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association) Ogni tipo di scambiatore è identificato mediante un codice a 3 lettere La prima identifica il tipo di testa anteriore che è sempre fissa La seconda identifica il tipo di mantello La terza identifica il tipo di testa posteriore (fissa o flottante)

11 Scambiatori a fascio tubiero Norme TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association)

12 Scambiatori a fascio tubiero

13 Scambiatori a fascio tubiero Scambiatore 1-1 a teste fisse tipo BEM con compensatore di dilatazioni

14 Nomenclatura Scambiatori a fascio tubiero

15 Montaggio verticale Scambiatori a fascio tubiero

16 Scambiatori a fascio tubiero Scambiatore 2-2 tipo CFU con tubi ad U

17 Scambiatori a fascio tubiero Possibile tenuta sul diaframma longitudinale

18 Montaggio orizzontale Scambiatori a fascio tubiero

19 Scambiatore tipo AJW Scambiatori a fascio tubiero

20 Scambiatori a fascio tubiero Condensatore double split flow

21 Scambiatori a fascio tubiero Si utilizzano più passaggi lato tubi per aumentare la velocità del fluido Aumenta il coefficiente di scambio termico (e le perdite di carico) 2 passaggi lato tubi 4 passaggi lato tubi 4 passaggi lato tubi 6 passaggi lato tubi

22 Scambiatori a fascio tubiero

23 4 passaggi lato tubi Scambiatori a fascio tubiero 6 passaggi lato tubi

24 Scambiatori a fascio tubiero 4 passaggi lato tubi

25 Scambiatori a fascio tubiero 4 passaggi lato tubi

26 Scambiatori a fascio tubiero 4 passaggi lato tubi

27 Piastre tubiere Scambiatori a fascio tubiero disposizione dei tubi secondo maglie regolari

28 Scambiatori a fascio tubiero Attacco tubi-piastra Saldatura Mandrinatura Premistoppa Esecuzione della mandrinatura

29 Video Scambiatori a fascio tubiero Costruzione fascio tubiero

30 Scambiatori a fascio tubiero Mandrinatura dei tubi

31 Saldatura dei tubi Scambiatori a fascio tubiero

32 Saldatura dei tubi Scambiatori a fascio tubiero

33 Costruzione di scambiatori a fascio tubiero

34 Costruzione di scambiatori a fascio tubiero

35 Diaframmi

36 Diaframmi La distanza tra i diaframmi varia tra il 20 e il 100% del diametro del mantello Il taglio dei diaframmi è 20-25%

37 Video Montaggio diaframmi Diaframmi

38 Diaframmi possono essere disposti con il taglio orizzontale o verticale possono occupare l intera sezione se si lascia spazio tra diaframmi e tubi

39 Vibrazioni nei tubi Si possono saltare delle file di tubi vicino ai bocchelli di ingresso e uscita

40 Scambiatori costituiti da più corpi

41 Scambiatori costituiti da più corpi

42 Scambiatori costituiti da più corpi

43 Trasporto di uno scambiatore

44 Scambio termico per convezione Se i fluidi non cambiano di fase e le proprietà fisiche sono costanti A 0 = U D Q T ML F T A 0 = superficie di scambio termico, calcolata sulla parete più esterna (m 2 ); Q = calore scambiato (W); U D = coefficiente globale di scambio termico (a tubi sporchi) (W/m 2 K); T = temperatura del fluido caldo (K); t = temperatura del fluido freddo (K). T ML = (T 1 t 2 T ln T ) (T 1 2 t t t 1 ) Se (T 1 t 2 ) = (T 2 t 1 ) T ML = (T 1 t 2 ) = (T 2 t 1 ) F T = fattore di efficienza dello scambio termico

45 Scambio termico F T = 1 quando lo scambio termico è perfettamente controcorrente e, comunque, se la temperatura di uno dei due fluidi è constante Se lo scambio termico non è perfettamente controcorrente F T < 1. F T = f (R, S, geometria) R S = = T t 1 2 t T 2 T t t t 1 1 I valori di F T sono riportati in grafici, ognuno dei quali è riferito ad una particolare geometria. Se il valore di F T è troppo basso (< 0.75) va modificata la geometria dello scambiatore, o vanno variate le temperature di ingresso e/o uscita dei fluidi

46 Scambiatori a fascio tubiero Se il numero di passaggi lato tubi è diverso da quello lato mantello (che sono, al massimo, 2) non si ha più controcorrente pura es. scambiatore 2 passaggi lato tubi 1 passaggio lato mantello T( C) T( C) T( C) Q 35 Q 35 Q Se la T di uscita del fluido caldo è inferiore alla T di uscita del fluido freddo (zona gialla) ci sono problemi con F T F T basso o scambio termico impossibile

47 Scambiatori a fascio tubiero Efficienza dello scambio termico per apparecchi 1-2 (1-n) R = T t 1 2 T t 2 1 t2 S = T 1 t t 1 1

48 Scambiatori a fascio tubiero T 1 = 80 t 1 = 40 T 1 = 80 t 1 = 40 T 1 = 80 t 1 = 40 T 2 = 60 t 2 = 50 T 2 = 52 t 2 = 54 T 2 = 45 t 2 = 57.5 R = 2 S = 0.25 R = 2 S = 0.35 R = 2 S = T( C) FT = FT = FT = 0 T( C) T( C) L L L I profili di T in funzione della lunghezza dei tubi possono incrociarsi In questo caso lo scambio termico non avviene nella direzione desiderata Il fluido freddo, in una parte dell apparecchio, è a T maggiore del fluido caldo Lo scambio termico può diventare impossibile e occorre variare: la geometria dell apparecchio (ad esempio: 2-4, 2-2, 1-1) oppure le T di uscita dei fluidi (e quindi si scambia meno calore)

49 Scambiatori a fascio tubiero Efficienza dello scambio termico per apparecchi 2-4 (2-n) R = T t 1 2 T t 2 1 t2 S = T 1 t t 1 1

50 Avviamento degli scambiatori

51 Avviamento degli scambiatori