SCAMBIO TERMICO PARTE 2 : APPARECCHIATURE - versione#a3 Prof.A.Tonini

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1 SCAMBIO TERMICO PARTE 2 : APPARECCHIATURE - versione#a3 Prof.A.Tonini APPARECCHIATURE di SCAMBIO TERMICO: Sono apparecchiatura la cui funzione è quella di realizzare il trasferimento di grandi quantità di calore tra due fluidi a temperature differenti. Si possono classificare le apparecchiatura di scambio termico in: Scambiatori di calore: Refrigeratori: quando un fluido di processo è raffreddato da un fluido di servizio (p.es.acqua); Riscaldatori: quando un fluido di processo viene riscaldato da fluido caldo o vapore o DowTherm; Condensatori: quando un vapore di processo viene condensato da un refrigerante. Ribollitori: quando un liquido di processo viene vaporizzato da un fluido di servizio. Evaporatori: utilizzati per evaporare soluzioni o concentrare soluzioni.[vedi docum a parte] Forni: utilizzati quando le quantità di calore da fornire sono elevate. TEORIA degli APPARECCHI di SCAMBIO TERMICO: 1 -TIPO A DOPPIO TUBO (o tubo in tubo) hairpin Il modello più semplice di scambiatore di calore è lo scambiatore a doppio tubo: è costituito da due tubi concentrici in cui un fluido passa attraverso la sezione cilindrica (lato tubo), ed un altro passa attraverso la sezione anulare (lato anello). SUPERFICIE DI SCAMBIO IN UNA SEZIONE di lunghezza L similmente allo scambio di calore tra due fluidi attraverso una parete cilindrica, possiamo calcolare i contributi di scambio unitari [da interno tubo piccolo fluido caldo [Ti] a esterno fluido freddo [Te], preso come riferimento per il flusso di calore il tubo piccolo con: Ai= Di * L sup.interna; Ae= De * L sup.esterna; SCAMBIO TERMICO fluido1 fluido2: a CONVEZIONE da fluido1 parete: Q 1 = hiai T 1 ; b CONDUZIONE in parete: Q C = k 2 L T/(ln re/ri) ; c CONVEZIONE da parete fluido2: Q 2 = he Ae T 2 ; a regime Q = Q1 = Qconduz = Q2; sommando le tre espressioni rispetto ai T i, e semplificando, otteniamo: N.B.:il denominatore è la resistenza al passaggio di calore Trascurando il contributo di conduzione (=parete sottile e tubo molto conduttore), avremo analogamente per il coefficiente globale di scambio termico: Uc = 1/(1/[hiAi]+ 1/[heAe]), che riferito alla parete esterna tubo piccolo Ae (diam.de) diventa: Uc* = 1/(Ae/[hiAi] + 1/he) ovv. Uc* = 1/(De/hiDi + 1/he); Q = Uc* Ae (Ti Te) Si può inoltre porre De/Di 1 per piccoli spessori di tubo interno! Similmente si può considerare, nel caso di spessore s piccolo rispetto al diametro esterno, che lo scambio avvenga attraverso la superficie A media = Dm x L, con D medio = (De+Di)/2; quindi per una sezione piccola di tubo lungo L: Q = Uc Am T con Uc = 1/[1/hi+ 1/he] [unità: Q= J/s =W; Uc = W/m 2 C; Am =m 2 ; T= C] EQUAZIONE di TRASFERIMENTO e MOTO dei FLUIDI - TML La differenza di temperatura ΔT non si mantiene costante lungo tutta l apparecchiatura, e può subire variazioni, a seconda della direzione dei due fluidi, in equicorrente o controcorrente. Equicorrente: quando i due flussi si muovono nella stessa direzione: la temperatura del fluido in uscita freddo non può mai superare la temperatura di uscita del fluido caldo (T Ucaldo > T Ufreddo ). Per l equicorrente il salto di temperatura varia da un massimo nella sezione di ingresso fino a un minimo nella sezione di uscita: il trasferimento sarà massimo nella zona iniziale, per poi diminuire progressivamente man mano che il ΔT diminuisce, con scarsa efficienza di scambio nell ultima parte; maggiore sarà la superficie di scambio termico e la lunghezza più T Ufreddo si avvicina a T Ucaldo. Controcorrente: quando i due flussi si muovono con versi opposti; si può verificare che all uscita T Ufreddo > T Ucaldo, perché nello scambio in controcorrente si ha un maggior recupero termico. Il ΔT per la controcorrente lungo l apparecchiatura non subisce grosse variazioni, con salti di temperatura abbastanza limitati nello scambio in controcorrente (il calore viene trasferito in maniera abbastanza uniforme su tutta la lunghezza dello scambiatore, con buona efficienza di scambio). TRASFERIMENTO DI CALORE Q 1 [a Ti] Q conduz Q 2 [a Te]

2 Prof.A.Tonini Per tener conto delle modalità di scambio lungo tutto il tubo (lunghezza L) si introduce il T medio logaritmico (o salto medio logaritmico), che dipende dai salti di temperatura iniziali e finali T 1 e T 2, come da figura del diagramma delle temperature. Quindi l eq.scambio diventa Q = U C Am T ML con T ML = ( T1 T2)/ ln ( T1/ T2) e Uc: kw/m2 C; Indicando con e =entrata;u =uscita; 1 =fluido caldo 1; 2 =fluido freddo 2, risulta: equicorrente: T1 =Te1-Te2; T2 =Tu1-Tu2; controcorrente: T1 =Te1-Tu2; T2 =Tu1-Te2. a parità di temperature di entrata e uscita dei due fluidi, T ML controcorrente risulta maggiore di quello equicorrente, con maggior quantità di calore scambiato, o minor superficie necessaria. FATTORI o coefficienti di SPORCAMENTO [incrostazioni] I depositi di sporco riducono il coefficiente reale di scambio U C, quindi l apparecchiatura dopo breve tempo non potrebbe più fornire le prestazioni per cui è stata progettata. Per questo il coefficiente U C deve essere corretto con l aggiunta della resistenza allo scambio termico dovuta ai fattori di sporcamento causati da incrostazioni lato interno esterno tubi (di tipo conduttivo): 1/U D = 1/U C + R D con R D = R D i + R D e (D=dirt) lato interno/esterno tubo piccolo, R= m 2 C/kW; [U D = U C /(1+R D U C )]. La formula di scambio termico tra due fluidi nell apparecchiatura tubo in tubo è: Q = U D Am T ML CONSIDERAZIONI SULLA FORMULA DELLO SCAMBIO TERMICO : lo scambio termico Q è maggiore se sono alti U, A, T ML ; -A elevata: scelta di opportuna apparecchiatura (superficie elevata) - T ML elevata: scelta di condizioni di moto in controcorrente; -U elevata: con basse incrostazioni, buona manutenzione; -h elevati: scelta di fluido opportuno con elevata capacità di scambio termico, velocità e diametri opportuni. BILANCI ENERGIA e MATERIA nelle APPARECCHIATURE: Per tener conto della non perfetta controcorrente/equicorrente nelle apparecchiature si introduce un coefficiente correttivo Ft del T ML, (di valore inferiore o uguale a 1; vedi anche oltre scambiatori a più passaggi), per cui la formula generale dello scambio termico diventa: Q = U D A Ft T ML (kw) Vale anche il seguente BILANCIO TERMICO per le quantità di calore scambiate tra due fluidi, A e B,: Q = F A (H Ai - H Au ) = F B (H Bu -H Bi ) (kw ) A=fluido caldo;b=freddo; [entalpia Hi kj/kg] Q = F A C A T A = F B C B T B (kw ) nel caso senza passaggio di fase; F= portata fluido [Kg/h]; C= calore specifico fluido [kj/kg C]; T= salto di temperatura del fluido (entrata/uscita o vicev., sempre positivo); entalpia Hi = ci Ti, [kj/kg]; H Ai T Ai H Bi T Bi T Au H Au H Bu T Bu 2 - SCAMBIATORI A FASCIO TUBIERO PARTI COSTITUENTI: fascio tubiero; piastra; mantello; setti (o diaframmi); bocchelli; coperchi (anche suddivisi da setti). Tubi: diametro (16-50 mm); disposizione nella piastra a maglia quadrata (miglior pulizia) o triangolare; lunghezza standard (2,4-3,6-4,8-6-7,2m ); se lunghi, il diametro del mantello è inferiore;diametro shell:(0,15-1,5 m). E costituito da due piastre a cui sono connessi un certo numero di tubi (fascio tubiero), posti all interno di un mantello; è caratterizzato da una elevata superficie di scambio. Negli scambiatori più semplici il fluido lato tubi si ripartisce in tutti i tubi attraversandoli in una sola direzione, e il fluido lato mantello attraversa lo 1 lato mantello, 2 lato tubi scambiatore con verso opposto rispetto al fluido lato tubi: in questo modo si ha uno scambio quasi in controcorrente; pur essendo in controcorrente il fluido lato mantello è costretto, tramite dei setti posti sul suo cammino, ad un andamento tortuoso, e questo permette un elevato coefficiente di trasferimento. 5.1 SCAMBIATORE A PIU PASSAGGI. (in fig.preced. 1:2, 1 lato mantello, 2 lato tubi). È possibile migliorare il coefficiente di trasferimento del lato tubi, quando è necessario scambiare forti quantità di calore e quindi è richiesta una superficie di scambio elevata, evitando basse velocità del fluido lato tubi/mantello e bassi coefficienti di scambio. Si opera distribuendo il fluido non su tutti i tubi, ma su metà o più del totale. In questo modo il fluido attraversa lo scambiatore più di una volta in un senso e nell altro e la sezione di passaggio diminuisce, mantenendo costante la superficie totale di scambio, con aumento della velocità di passaggio e coefficienti di trasferimento più elevati. Questo tipo di scambiatore è detto scambiatore 1:2; 1:4; 2:4;...(in fig. a lato sezione di scambiatore 1-8). scambiatore 1-2 scambiatore 1-8

3 Prof.A.Tonini ANNOTAZIONI sulle apparecchiature a fascio tubiero: fissaggio dei tubi alle piastre: necessario per impedire lo scorrimento dei tubi relativamente alla piastra; può essere eseguito con diverse tecniche: mandrinatura, filettatura, saldatura, (o possono essere impiegate guarnizioni). disposizione di tubi e setti: sono fattori che influenzano la turbolenza del fluido lato mantello e quindi anche il coefficiente di pellicola, o convezione. Per limitare le perdite di carico bisogna disporre ingressi e uscite dei due fluidi in maniera da porre la sezione più fredda del fluido in basso rispetto a quella calda. lato tubi passa il fluido più corrosivo, o più incrostante, o più caldo, o a maggior pressione, o a portata maggiore; perdite di carico dei fluidi: sono più alte lato mantello (uso pompe di spinta). dilatazioni differenziali da prevedere per elevate differenze di T tra fluidi; di solito,negli scambiatori a testa fissa, si opera mettendo un compensatore di dilatazione in posizione intermedia. Altre soluzioni sono quelle dei scambiatori a testa libera, in cui una delle due piastre è flangiata al mantello, mentre l altra è libera di translare sotto l effetto della dilatazione; o dello scambiatore a testa flottante, in cui la piastra libera è assolutamente isolata dal mantello per mezzo di una calotta interna ad esclusivo uso dei tubi; o scambiatore con tubi ad U. A TESTA FISSA costruzione semplice poco costosa; apertura teste per pulizia tubi (fluido più incrostante),non ispezionabile lato mantello;scarsa dilatabilità; piccole medie potenze. A TESTA FLOTTANTE ispezione e pulizia lato mantello e tubi; possibili dilatazioni temiche lato coperchio; per fluidi tossici infiammabili; massima efficienza termica. CON TUBI AD U due passaggi lato tubi; possibile sfilare il fascio tubiero, anche se scarsamente pulibile; uso ribollitore orizzontale; per fluidi con notevoli dilatazioni; SCHEMI DI CONTROLLO PER SCAMBIATORI A FASCIO TUBIERO: sistema di controllo di scambiatore riscaldatore sistema di controllo di scambiatore raffreddatore sistema di controllo con by-pass, più rapido; quando la portata di fluido di riscaldamento è fissa 6. RIBOLLITORI: Sono apparecchiture utilizzate per vaporizzare completamente o parzialmente una corrente liquida o come vaporizzatori di acqua. Apparecchiature: tipo a termosifone (fasci tubieri, verticali o orizzontali); tipo Kettle; tipo a circolazione forzata. Kettle [fig.1] lo spazio lato mantello è solo parzialmente riempito di liquido, perché il vapore che si deve sviluppare deve avere il tempo di lasciare ricadere eventuali trascinamenti di liquidi. Il fluido riscaldante è lato tubi. Lo scambiatore Kettle è costituito da tubi connessi ad una sola piastra e ripiegati ad U,o chiusi da un coperchio, i quali sono totalmente isolati dal resto dello scambiatore, e completamente immersi per evitare incrostazioni dovute alla vaporizzazione. Per questo esiste un diaframma di troppo pieno sull uscita del liquido. La circolazione tra la colonna e il Kettle avviene normalmente per circolazione naturale (a termosifone). Fig.1 Fig.2 A termosifone verticale [fig.2] Ebollizione lato tubi; la separazione vapore-liquido avviene in un apparecchio esterno; circolazione a termosifone; tubi corti; tipo più economico, non liquidi viscosi incrostanti; alto coeff.scambio, superficie di scambio limitata.

4 A termosifone orizzontale [scambiatore a fascio tub.orizzontale] Ebollizione lato mantello, ma non ha separatore liquido-vapore; alto coeff.scambio. A circolazione forzata- Per fluidi viscosi; VB BILANCI TERMICI vapore Riscaldante VB/vapore Bollente A: Q = [F VB ] = [F VA ] Sup. = Q/(Urib T ML ); T ML T VB T A S.C. Ribollitore: diagr.temperature T A Prof.A.Tonini T VB 7. CONDENSATORI icondensatori sono apparecchiature usate per condensare un vapore tramite acqua refrigerante di servizio. La condensazione può avvenire in due modi, sulla superficie di scambio termico: a goccia G: il condensato formatosi abbandona la superficie via via che si va formando, lasciando quindi la superficie di scambio sempre libera alla condensazione. (es. per tubi orizzontali). a film F: si forma un film stabile e la condensazione avviene sulla superficie del condensato che si è formato (film), [caso più comune], per cui il calore latente sviluppato deve attraversare la resistenza del film, prima di essere smaltita dal refrigerante. (es. per tubi verticali). La condensazione avviene più comunemente esterno tubi (tubi orizzontali): interno tubi passa il liquido refrigerante. Se i condensatori sono a tubi verticali (vapore lato tubi) lo spessore del film aumenta sempre più verso il basso, dando luogo nella parte inferiore a maggiori resistenze al trasferimento: si può avere condensazione totale, con uscita di incondensabili, o parziale, con uscita di parte di vapore. BILANCI TERMICI vapore/acqua: diagr.temperature Q = [F VB x ] = Faq Caq Taq; [aq=liquido refrigerante acqua[a] no cambio fase] Sup. = Q/Ucond T ML ; T ML = ( T1 T2)/ ln ( T1/ T2) TIPI DI CONDENSATORI: - A SUPERFICIE [fig.1] A fascio tubiero orizzontale (coeff. h elevato) o verticale, spesso collegato a un servizio vuoto; se incrostante, vapore passa lato tubi; usato quando i due fluidi, di processo e di servizio, non si devono mescolare; più costoso, ma più efficiente. - A MISCELA [fig.2] Quando si possono mescolare i due fluidi; consiste in contenitore vuoto o con setti per una migliore miscelazione; minori dimensioni rispetto al precedente, minor quantità acqua di servizio per raffreddamento; se collegato a servizio vuoto, necessaria una tubazione inferiore (10,33 m) per permettere l uscita delle condense. [servizio vuoto: sull uscita incondensabili, con eiettori, pompe ad anello liquido, compressori-vedi documento condensatori] Fig.2 SCHEMI PER CONDENSATORI T Aqi T Aqu Fig.1 8. ALTRE APPARECCHIATURE DI SCAMBIO TERMICO:[vedi anche appendice] canna barometrica TIPI CARATTERISTICHE scambiatore a doppio tubo, a hairpin (o "a tubi concentrici"): i fluidi scorrono in due tubi coassiali, uno interno e uno esterno ; è l'unica configurazione che permette di realizzare un profilo termico in equicorrente o controcorrente perfetti; velocità di scambio elevate;piccola superficie di scambio; facile pulizia lato tubi. scambiatore a piastre: i due fluidi lambiscono i lati opposti di una lamiera, solitamente corrugata o piana, in camere alternate e tra loro isolate da guarnizioni; la geometria di questi scambiatori è analoga alla filtropressa; per fluidi anche corrosivi. Elevata superficie di scambio e basso ingombro; sensibile a sporcamento, ma facile pulizia; pressioni e temperature di esercizio più basse dei fasci tubieri;

5 Prof.A.Tonini scambiatore a pacco alettato: uno dei fluidi passa all'interno di tubi, solitamente a sezione circolare, e l'altro (gassoso, p.es. aria) attraversa il pacco alettato all'esterno dei tubi con tiraggio meccanico; buona pulizia e superficie di scambio,basso costo di pompaggio e buona regolazione, poche incrostazioni;uso per condizionamento e refrigerazione. recipienti incamiciati (in inglese jacketed vessel): tipo a camicia a serpentino esterno/interno (maggiore scambio). spesso sono anche agitati; possono essere impiegati per lo stoccaggio di fluidi molto viscosi che vengono mantenuti a temperature maggiori della temperatura ambiente; per autoclavi e reattori; superficie di scambio limitata; problemi costruttivi e di manutenzione: il liquido esterno è poco incrostante; a serpentino a pioggia: raffreddamento dovuto a pioggia di liquido (acqua) sull esterno di serpentino tubi; limitata superficie di scambio ed efficienza, ma economico; elevate perdite di carico lato tubo; per fluidi non molto corrosivi; poco costoso. scambiatore a spirale: i due fluidi passano ai lati opposti di una lamiera, di solito liscia, in camere singole di opportuna lunghezza e larghezza, avvolte a spirale per praticità e minore ingombro rispetto ad altre apparecchiature; basse perdite di carico; flussi costanti; [vedi APPENDICE altre immagini di apparecchiature] 10 FORNI INDUSTRIALI: Apparecchiature adatte a fornire quantità elevate di energia (3-100 MW), per processi industriali (vedi petrolifera) o reattori. Il calore viene emesso dai fumi caldi di combustione, e viene ricevuto dalla superficie dei tubi (camera radiante); dietro i tubi c è una superficie in refrattario che riflette energia; sono poste in leggera depressione per motivi di sicurezza. La fiamma può essere luminosa (combust. solidi/liquidi), con emissione prolungata nel tempo; non luminosa (alcuni gas) con emissioni in infrarosso. I fumi uscenti (T=800/1000 C) scambiano calore in una zona convettiva, con tubi a parete (irraggiam. + convez.): l entrata del fluido da scaldare entra prima in questa zona, poi in quella radiante; (vedi forni a cattedrale). Alta efficienza ( 90% ), scarse perdite di calore ( 2%).Vel. fumi 10 m/s. APPENDICE - ALCUNE APPARECCHIATURE DI SCAMBIO TERMICO CONDENSATORI RIBOLLITORI

6 SCAMBIATORE TUBO IN TUBO Prof.A.Tonini TORRI RAFFREDDAM. A TIRAGGIO MECCANICO [cfr.doc.igrometria] SCAMBIATORE A FASCIO TUBIERO SCAMBIATORI A PIASTRE FASCIO TUBIERO DIAFRAMMI - SCAMBIATORI A U RIBOLLITORE KETTLE INCROSTAZIONI DI SCAMBIATORI ESEMPIO DI APPLICAZIONE APPARECCHIATURE DI SCAMBIO TERMICO:

7 SCAMBIATORE TUBO-TUBO SCAMBIATORE AD ARIA SCAMBIATORE A PIASTRE