Fluidi termici di servizio

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1 Fluido termico Fluidi termici di servizio Campo di impiego ( C) Fluidi frigoriferi (etilene, ammoniaca, ecc.) -80/-10 Salamoie (soluzioni acquose di sali) -15/+5 Acqua refrigerata +5/+20 Acqua di pozzo +10/+30 Acqua industriale +20/+40 Aria -5/+80 Acqua demineralizzata +40/+150 Acqua demineralizzata (vaporizzante, per raffreddare) Vapor d acqua (condensante, per riscaldare) +90/+250 Oli termici +50/+300 Oli termici speciali (Dowtherm) +200/+350 Fumi di combustione (forni) +200/+1000 Sali fusi +350/+700

2 Fattori di sporcamento Fluido Sporcamento (m 2 K/W) 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

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 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)

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

11 Scambiatori a fascio tubiero

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

13 Nomenclatura Scambiatori a fascio tubiero

14 Montaggio verticale Scambiatori a fascio tubiero

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

16 Scambiatori a fascio tubiero Possibile realizzazione delle tenuta sul diaframma longitudinale

17 Montaggio orizzontale Scambiatori a fascio tubiero

18 Scambiatore tipo AJW Scambiatori a fascio tubiero

19 Scambiatori a fascio tubiero Condensatore double split flow

20 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

21 Scambiatori a fascio tubiero

22 4 passaggi lato tubi Scambiatori a fascio tubiero 6 passaggi lato tubi

23 Scambiatori a fascio tubiero 4 passaggi lato tubi

24 Scambiatori a fascio tubiero 4 passaggi lato tubi

25 Scambiatori a fascio tubiero 4 passaggi lato tubi

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

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

28 Scambiatori a fascio tubiero Mandrinatura dei tubi

29 Saldatura dei tubi Scambiatori a fascio tubiero

30 Saldatura dei tubi Scambiatori a fascio tubiero

31 Costruzione di scambiatori a fascio tubiero

32 Costruzione di scambiatori a fascio tubiero

33 Diaframmi

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

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

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

37 Scambiatori costituiti da più corpi

38 Scambiatori costituiti da più corpi

39 Scambiatori costituiti da più corpi

40 Trasporto di uno scambiatore

41 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

42 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

43 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

44 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

45 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)

46 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

47 Avviamento degli scambiatori

48 Avviamento degli scambiatori

49 Condensatori Il coefficiente di scambio termico del vapore condensante è funzione dello spessore del film liquido Il coefficiente aumenta quanto più lo spessore del film liquido è sottile Si possono utilizzare normali scambiatori a fascio tubiero, ad asse verticale o orizzontale, con condensazione lato tubi o lato mantello 1. Apparecchio orizzontale - condensazione lato mantello È la soluzione migliore 2. Apparecchio orizzontale - condensazione lato tubi Si utilizza negli air-cooler, in cui il fluido refrigerante è aria Si utilizza se il fluido refrigerante viene vaporizzato lato mantello (per questo fluido è un ribollitore tipo Kettle) 3. Apparecchio verticale - condensazione lato mantello Si utilizza se avviene vaporizzazione parziale del fluido refrigerante lato tubi (per questo fluido è un ribollitore a termosifone verticale) Apparecchio verticale - condensazione lato tubi È la soluzione peggiore

50 Condensatori

51 Condensatori Per essere certi che la condensazione sia completa Si utilizza un recipiente per separare il liquido dal vapore a valle del condensatore Si sottoraffredda di qualche grado il liquido condensato Se il vapore che condensa è vapor d acqua, utilizzato come fluido riscaldante, si utilizza uno scaricatore di condensa Il funzionamento si basa sulle diverse proprietà fisiche del vapore e del liquido Se l apparecchio funziona sotto vuoto La condensa deve essere prelevata mediante una pompa in grado di aspirare dal recipiente Se necessario si può realizzare uno scarico barometrico mediante un tubo di lunghezza sufficiente a portare la pressione a 1 atm allo scarico, che va effettuato in un recipiente in cui sia garantita la presenza di liquido, per realizzare la guardia idraulica In caso di vuoto assoluto con fluido acqua, la lunghezza del tubo è m

52 Scaricatori di condensa Termodinamico A galleggiante

53 Ribollitori A termosifone verticale Kettle A termosifone orizzontale A circolazione forzata

54 Ribollitore a termosifone verticale Ribollitori

55 Ribollitore a termosifone verticale Ribollitori

56 Ribollitore Kettle Ribollitori

57 Ribollitori Ribollitore Kettle Ribollitore Kettle doppio