Simulazione di scambiatore di calore

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1 Simulazione di scambiatore di calore Presentazione del problema In questo tutorial viene mostrata la simulazione di uno scambiatore di calore ricorrendo a un esempio. L acqua (1,5 bar, 20 m³/h) deve essere riscaldata tramite acqua di processo molto calda (130 C, 2,7 bar, 50 m³/h) da 10 C ad almeno 90 C. Lo scambiatore di calore deve essere fatto funzionare in controcorrente. In tal caso l'acqua di processo, che fluisce nei tubi, non deve essere raffreddata di oltre un massimo di 50 K. Da un vecchio impianto viene smontato uno scambiatore di calore a fascio tubiero, che verrà utilizzato per questo compito. I dati dello scambiatore di calore sono riportati in Tabella 1. Tabella 1: Dati geometrici dello scambiatore di calore Forma TEMA R/ BEM (vedere Figura 1) Materiale Diametro interno mantello [m] 0,8 Numero di tubi 670 Acciaio nero (anche acciaio C o acciaio per costruzioni) Lunghezza dei tubi [m] 4 Disposizione dei tubi forma a triangolo ruotata (60 ) Distanza tra i tubi Dimensioni dei tubi Numero di lamiere di rinvio 11 Distanza tra le lamiere di rinvio [m] 0,32 Sezione libera nel lato di rivestimento [%] 30 Diametro bocchettone (lato tubo) [m] 0,1 Diametro bocchettone (lato rivestimento) [m] 0,15 1,25 d tube d out = 19 mm; d in = 16 mm Di seguito si deve analizzare mediante un valore di rating se questo scambiatore di calore soddisfa la potenza richiesta e se la perdita di carico (lato tubi e lato mantello) di 0,5 bar non viene superata. Figura 1: Forma dello scambiatore di calore BEM Pagina 1 di 16

2 Principio di risoluzione e ipotesi Per risolvere il problema oltre a CHEMCAD Steady State è necessario anche CC-THERM. CC-THERM è un programma add-on e comprende la simulazione rigorosa degli scambiatori di calore. In CHEMCAD Steady State vi è già la possibilità di simulare lo scambiatore di calore con un semplice bilancio energetico e di massa. Tuttavia non viene calcolato alcun coefficiente di trasmissione di calore e la struttura e i parametri costruttivi non vengono tenuti in considerazione. Con CC-THERM vengono offerti calcoli rigorosi dei seguenti tipi di scambiatori di calore: scambiatore di calore a fascio tubiero, a piastre, a doppio tubo e refrigeratore ad aria. È possibile scegliere tra progettazione (design) e valutazione (rating) di uno scambiatore di calore esistente. Nella valutazione di uno scambiatore di calore sono già noti i dati costruttivi (come ad esempio il numero di tubi, le dimensioni dei tubi, il numero di lamiere di rinvio, ecc.) dello stesso. Per una miscela di sostanze predefinita è possibile quindi verificare se la potenza richiesta può essere raggiunta con lo scambiatore di calore disponibile. La progettazione e il calcolo dello scambiatore di calore vengono eseguiti secondo standard internazionali: TEMA, ASME, DIN o British Standard. Per la presente simulazione viene utilizzato come modello termodinamico per il calcolo dell'entalpia la tabella IAPWS-IF97 per le proprietà termodinamiche dell'acqua e del vapore. Poiché è presente solo il componente acqua, non è necessaria alcuna termodinamica di miscelazione. Pertanto viene scelto il modello più semplice (legge di Raoult ideale, VAP). Nella Tabella 2 sono riassunti i dati di simulazione più importanti. Tabella 2: Composizione dei dati di simulazione Unità Componenti Termodinamica Flussi di feed k Common SI Acqua K: VAP, H: IAPWS Hot: T Ein = 130 C p = 2,7 bar ν = 0 V Hot = 50 m 3 /h Cold: T Ein = 10 C p = 1,5 bar V cold = 20 m 3 /h Unit Operation 1 scambiatore di calore; 2 feed; 2 prodotti Inoltre il flusso caldo (Hot) deve avere una temperatura di uscita maggiore di 80 C e il flusso Pagina 2 di 16

3 freddo (Cold) una temperatura di uscita di 90 C. Trasferimento della simulazione dello scambiatore di calore in CHEMCAD Inizialmente si compila il flowsheet con lo scambiatore di calore utilizzando CHEMCAD Steady State e si definiscono i flussi di feed come indicato in Tabella 2, vedere Figura 2. Figura 2: Flowsheet con scambiatore di calore Le specifiche dello scambiatore di calore possono essere introdotte nella finestra di impostazione (Figura 3) tramite diversi parametri. Tra gli altri è possibile definire la superficie dello scambiatore di calore A e il coefficiente di trasferimento di calore k, dai quali vengono poi calcolati i dati di processo dei flussi in uscita. Altre possibilità di impostazione (tra l'altro indicazione di temperatura, contenuto di vapore, differenza minima di temperatura) sono parimenti possibili. Sotto Utility Option è possibile calcolare il flusso di massa richiesto di uno dei flussi di feed in base all'altro flusso e i parametri impostati. La definizione di direzione del flusso e la visualizzazione dei risultati calcolati vengono eseguite sotto Misc. Settings. Per questa simulazione viene definita la temperatura iniziale del flusso freddo. Secondo il compito prefissato, essa deve essere pari ad almeno 90 C. Viene specificata una temperatura di 95 C. Un dato è sufficiente per la simulazione di un semplice scambiatore di calore. Pagina 3 di 16

4 Figura 3: Finestra di impostazione dello scambiatore di calore HTXR La simulazione viene avviata. Si ottengono i risultati mostrati in Figura 4. Entrambi i flussi hanno una temperatura di uscita di circa 95 C, per cui la condizione che il flusso caldo non debba essere raffreddato sotto 80 C, viene soddisfatta. Figura 4: Tabella dei risultati dello scambiatore di calore semplice Pagina 4 di 16

5 Per la simulazione rigorosa viene richiamato CC-THERM sotto "Sizing: Heat Exchangers (Figura 5). Figura 5: Percorso per richiamare CC-THERM Dopo la selezione dello scambiatore di calore a fascio tubiero, viene innanzitutto posta la domanda di quale flusso di feed deve fluire nei tubi attraverso lo scambiatore di calore (Figura 6) e, se non è già stata effettuata la scelta, di quale scambiatore di calore presente nel flowsheet stia eseguendo la simulazione. In questo esempio l'acqua di processo calda fluisce nei tubi. Figura 6: Definizione del flusso di feed che fluisce nei tubi Successivamente CHEMCAD crea il diagramma Q-T (Heat Curve) (Figura 7). In genere questo viene creato a partire a 11 punti (preimpostazione). Analogamente nella finestra di impostazione "Heat Curve Parameters" è possibile scegliere tra flusso in equicorrente e flusso in controcorrente. Pagina 5 di 16

6 Figura 7: Finestra dei parametri del diagramma Q-T Nel diagramma Q-T è già visibile se all'interno dello scambiatore di calore si verifica un passaggio di stato. Se in una miscela monocomponente si verificasse un passaggio di stato, ci si deve aspettare che la temperatura nel passaggio di stato non salga ulteriormente e quindi ci si deve aspettare un andamento orizzontale. Nell'esempio analizzato si ottiene il diagramma T-Q mostrato in Figura 8. Non si ha alcun passaggio di stato. Inoltre possono essere lette le temperature di uscita prevedibili. I dati utilizzati nel diagramma provengono dalla simulazione dello scambiatore di calore precedentemente creata dal modulo CHEMCAD Steady State. Figura 8: Diagramma Q-T Dopo aver confermato con "Ok" si apre automaticamente la finestra successiva per le impostazioni generali dello scambiatore di calore (Figura 9). Sotto Calculation mode è possibile scegliere tra il caso design o rating. Sotto TEMA class/standard viene scelta la base di calcolo per i dettagli geometrici. Pagina 6 di 16

7 A tal fine sono disponibili diversi standard internazionali. È preimpostato lo standard TEMA R (Tubular Exchanger Manufacturer s Association Type R). Successivamente viene definita la struttura geometrica dello scambiatore di calore. La struttura viene indicata con lo standard TEMA. Nell'esempio si deve valutare uno scambiatore di calore predefinito per i flussi indicati. Si ha uno scambiatore di calore secondo il modello TEMA. Si tratta in questo caso di TEMA classe R con la forma BEM (Figura 1). CHEMCAD riconosce automaticamente dai parametri di processo predefiniti se si ha un passaggio di stato e sceglie il rispettivo modello di calcolo sotto Process type. Il fattore di fouling in CHEMCAD è preimpostato su 0, m²k/w, ma può essere modificato manualmente. Figura 9: Finestra di impostazione generale del modulo CC-THERM per scambiatore di calore a fascio tubiero Sotto Modeling Methods (Figura 10) è possibile adattare i metodi di calcolo, ad esempio per il caso laminare o turbolento, in base alle esigenze. Pagina 7 di 16

8 Figura 10: Finestra di impostazione del modulo CC-THERM per scambiatore di calore a fascio tubiero, scheda: Modeling Methods Dopo la conferma si apre automaticamente la finestra di impostazione successiva. Di seguito vengono definiti in maggior dettaglio i dati geometrici dello scambiatore di calore. Dapprima vengono riportati i dati del fascio tubiero (Figura 11). Figura 11: Impostazione del fascio tubiero Nel caso rating si possono elaborare tutti i campi di immissione. Nel caso design vengono calcolati il numero e la lunghezza dei tubi e questi non sono quindi editabili. In CHEMCAD sono Pagina 8 di 16

9 presenti valori già predefiniti per uno scambiatore di calore a fascio tubiero. Nelle misure dei tubi si fa riferimento in questo caso a un tubo da 3/4 di pollice. Tutti i valori possono tuttavia essere sovrascritti a mano. I dati geometrici dello scambiatore di calore vengono impostati come indicato in Tabella 1. I valori predefiniti, come ad esempio lo spessore della lamiera del tubo (Tubesheet thickness) vengono acquisiti di conseguenza. Come passo successivo si aprono le impostazioni del mantello (Figura 12). Oltre ai dati del diametro del mantello è possibile impostare anche se si devono collegare in serie o in cascata più scambiatori di calore. Figura 12: Impostazioni del mantello I bocchettoni di attacco possono essere specificati nella finestra successiva (Figura 13). Anche qui si hanno valori già predefiniti, che possono essere adattati manualmente all'occorrenza. Il diametro del bocchettone per il lato tubo è 0,1 m e per il lato mantello 0,15 m. Pagina 9 di 16

10 Figura 13: Specifica dei bocchettoni di attacco Dimensioni geometriche e disposizioni per le lamiere di rinvio possono essere impostate nella finestra seguente (Figura 14). Se qui non sono predefiniti valori, CHEMCAD li calcola con l'algoritmo di calcolo CC-THERM. Nello scambiatore di calore fornito si hanno undici lamiere di rinvio, che coprono il 70% della sezione. La sezione libera nel mantello è quindi del 30%. CHEMCAD calcola automaticamente le distanze delle lamiere di rinvio. Figura 14: Impostazioni delle lamiere di rinvio Pagina 10 di 16

11 Nelle finestre che si aprono successivamente vengono definite le distanze geometriche all'interno dello scambiatore di calore (Clearance Specifications: Figura 15), viene impostato il materiale dello scambiatore di calore (Material Specifications: Figura 16) e sotto Miscellaneous Specifications (Figura 17) si possono effettuare altre impostazioni, come ad esempio l'indicazione della potenza termica da ottenere. Non vengono effettuate altre impostazioni nelle finestre successive. Lo scambiatore di calore è in acciaio nero, per cui in Figura 16 non viene apportata alcuna modifica. Tutti gli altri valori predefiniti vengono acquisiti. I dati geometrici, come ad esempio le distanze all'interno dello scambiatore di calore hanno un influsso ridotto sulla simulazione e sono quindi fondamentali solo per la struttura dello scambiatore di calore. L'immissione di questi dati non è strettamente necessaria per la simulazione. Figura 15: Finestra di impostazione per le distanze geometriche nello scambiatore di calore Pagina 11 di 16

12 Figura 16: Finestra di impostazione per la selezione del materiale Figura 17: Finestra di impostazione per altre impostazioni Dopo che tutte le impostazioni sono state effettuate, viene visualizzato il menu principale CC- THERM dello scambiatore di calore a fascio tubiero (Figura 18). Pagina 12 di 16

13 Figura 18: Menu principale dello scambiatore di calore a fascio tubiero Con il comando Calculate lo scambiatore di calore, con i dati precedentemente immessi, effettua una simulazione rigorosa. I risultati del calcolo possono essere visualizzati sotto View Results. Vi è anche la possibilità di riportare i risultati in un file Excel o di testo. Sotto Select Reports si possono selezionare le sezioni desiderate del report e poi compilare con Generate Reports (Figura 19). Figura 19: Selezione delle sezioni del report Pagina 13 di 16

14 Per aggiungere il calcolo di CC-THERM nella simulazione CHEMCAD, il menu principale viene chiuso tramite Exit. Le modifiche vengono salvate. La finestra di impostazione dello scambiatore di calore precedentemente creato viene ora aperta con un doppio clic. Sotto Simulation mode si passa all'opzione 1 Shell & tube simulation. Ora i dati costruttivi precedentemente impostati in CC-THERM vengono utilizzati per la simulazione dello scambiatore di calore (Figura 20). La simulazione viene riavviata. Valutazione dei risultati della simulazione Figura 20: Passaggio alla simulazione CC-THERM Figura 21: Tabella dei risultati dello scambiatore di calore Dopo la simulazione viene aggiornata la tabella dei risultati (Figura 22). Si può vedere che la temperatura di uscita del flusso caldo è stata abbassata a circa 85 C (prima: 95 C). La temperatura di uscita del flusso freddo è di 110 C. Di conseguenza lo scambiatore di calore soddisfa la potenza richiesta. Dai risultati dello scambiatore di calore è possibile leggere la perdita di carico (figura 21). La perdita di pressione sia sul lato del tubo che sul lato mantello è inferiore a 0,5 bar. Questi requisiti vengono quindi soddisfatti. Tuttavia sul lato freddo, a causa della temperatura di uscita maggiore e della perdita di carico, si verifica una evaporazione di circa il 2% dell'acqua. Poiché questo in genere non è desiderato sono necessari altri accorgimenti (ad es. un aumento della pressione sul lato freddo) al fine di utilizzare lo scambiatore di calore per il compito desiderato. Pagina 14 di 16

15 Figura 22: Tabella dei risultati dopo la simulazione CC-THERM Oltre a questa riproduzione dei risultati nel flowsheet è possibile anche predisporre un riepilogo dei risultati CC- THERM, ad esempio sotto forma di una scheda dati TEMA, vedere Figura 19. Interventi di ottimizzazione Sussiste quindi la possibilità di una progettazione (design) di uno scambiatore di calore in CHEMCAD. A tal fine non è necessario che siano noti dati costruttivi. Si devono predefinire solo la potenza termica desiderata o le temperature di uscita desiderate. Nella modalità design vengono calcolati i dati costruttivi e geometrici. Un altro intervento di ottimizzazione sarebbe analizzare in che misura peggiora lo scambio termico, se i tubi nello scambiatore di calore dovessero essere occlusi e saldati. La chiusura dei tubi sarebbe nell'esempio di cui sopra una possibilità per impedire l'evaporazione sul lato freddo, riducendo la superficie di scambio di calore. Un'altra domanda sarebbe quanti tubi possono al massimo non essere utilizzabili ottenendo comunque la potenza richiesta? Con CC- THERM è possibile effettuare la simulazione per un numero di tubi ridotto e analizzare l'influsso sulla potenza termica. Inoltre sono disponibili gli strumenti di analisi di sensibilità presenti in CHEMCAD e l'ottimizzazione SQP per analizzare diversi parametri e scenari. Nel campo del recupero di calore viene spesso utilizzato uno scambiatore di calore con struttura bypass. Se in estate si verifica una situazione tale da dover rinunciare al recupero di calore, il gas di scarico caldo viene convogliato attraverso il bypass sullo scambiatore di calore. La simulazione di un bypass può avvenire in CHEMCAD ad esempio con l'ausilio di regolatori (controller), così da poter analizzare rapidamente diversi scenari operativi. Pagina 15 di 16

16 L'uso di CC-THERM per altri tipi di scambiatori di calore (scambiatore di calore a piastre o a doppio tubo e refrigeratore ad aria) avviene in modo analogo e può essere dedotto da altri tutorial. Per ricevere ulteriori informazioni su tutorial, seminari o soluzioni inerenti CHEMCAD inviare una mail all'indirizzo: support@chemstations.eu oppure telefonare al numero : +49 (0) Autore: Lisa Weise Pagina 16 di 16