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 Prof. Ing. Cesare Saccani Prof. Ing. Augusto Bianchini Ing. Marco Pellegrini, PhD Ing. Alessandro Guzzini 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 Superficie delle goccioline generate da 1 litro di acqua (S) [m2] Negli scambiatori a miscela è determinante il livello di atomizzazione delle particelle, allo scopo di incrementare la superficie di scambio. 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 -1 per 1 m 3 di acqua e d=[m] ovvero per 1 litro di acqua e d=[mm] 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 Diametro gocciolina (d) [mm] 4

5 Superficie delle goccioline generate da 1 litro di acqua (S) [m2] Negli scambiatori a miscela è determinante il livello di atomizzazione delle particelle, allo scopo di incrementare la superficie di scambio. 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 -1 per 1 m 3 di acqua e d=[m] ovvero per 1 litro di acqua e d=[mm] 0 0,001 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 Scambiatore di calore a piastre

9 9 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 10 Scambiatore di calore a piastre

11 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

12 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

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 16 Scambiatore di calore a piastre: specifica tecnica Fattore di sporcamento Nel dimensionamento degli scambiatori si deve prestare particolare attenzione alla tendenza allo sporcamento delle superfici di scambio. Lo sporcamento delle superfici di scambio provoca infatti un aumento della resistenza alla trasmissione del calore dovuto a depositi di sporco e/o ad incrostazioni. Per tenere conto di questa resistenza termica si definisce il fattore di sporcamento (fouling factors) espresso in [m 2 K/W]. Fattore di sporcamento per diversi fluidi in [m2k/w], [Manuale del termotecnico, Rossi]

17 17 Scambiatore di calore a piastre: disegni quotati Riferimenti per attività di manutenzione ed ispezione

18 18 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.

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