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
Fattori di sporcamento Fluido Sporcamento (m 2 K/W) Acqua di fiume 0.000008-0.00035 Acqua di mare 0.00035-0.001 Acqua industriale 0.00015-0.00035 Aria e gas industriali 0.0001-0.0002 Condensa (acqua) 0.0002-0.0007 Fluidi termici (oli e liquidi) 0.0002 Gas di combustione 0.0002-0.0005 Idrocarburi leggeri 0.0002 Idrocarburi pesanti 0.0005 Organici in fase di ebollizione 0.0004 Organici in fase di condensazione 0.0002 Salamoia di raffreddamento 0.0002-0.00035 Soluzioni acquose di sali 0.0002-0.00035 Vapor d acqua (privo di tracce di olio) 0.00001-0.00025 Vapor d acqua (con tracce di olio) 0.0002-0.0005 Vapori organici 0.0002
Sporcamento dei tubi lato mantello
Sporcamento lato tubi
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: 16-30 mm (spessore 1.5-2 mm) Lunghezze standard 1.8 2.4 3.6-4.8 6.0-7.2 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
Compensatore di dilatazione a onda
Scambiatore con tubi ad U
Scambiatori a testa flottante Scambiatore 1-2 a testa flottante con backing device tipo AES senza backing device backing device
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)
Scambiatori a fascio tubiero Norme TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association)
Scambiatori a fascio tubiero
Scambiatori a fascio tubiero Scambiatore 1-1 a teste fisse tipo BEM con compensatore di dilatazioni
Nomenclatura Scambiatori a fascio tubiero
Montaggio verticale Scambiatori a fascio tubiero
Scambiatori a fascio tubiero Scambiatore 2-2 tipo CFU con tubi ad U
Scambiatori a fascio tubiero Possibile realizzazione delle tenuta sul diaframma longitudinale
Montaggio orizzontale Scambiatori a fascio tubiero
Scambiatore tipo AJW Scambiatori a fascio tubiero
Scambiatori a fascio tubiero Condensatore double split flow
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
Scambiatori a fascio tubiero
4 passaggi lato tubi Scambiatori a fascio tubiero 6 passaggi lato tubi
Scambiatori a fascio tubiero 4 passaggi lato tubi
Scambiatori a fascio tubiero 4 passaggi lato tubi
Scambiatori a fascio tubiero 4 passaggi lato tubi
Piastre tubiere Scambiatori a fascio tubiero disposizione dei tubi secondo maglie regolari
Scambiatori a fascio tubiero Attacco tubi-piastra Saldatura Mandrinatura Premistoppa Esecuzione della mandrinatura
Scambiatori a fascio tubiero Mandrinatura dei tubi
Saldatura dei tubi Scambiatori a fascio tubiero
Saldatura dei tubi Scambiatori a fascio tubiero
Costruzione di scambiatori a fascio tubiero
Costruzione di scambiatori a fascio tubiero
Diaframmi
Diaframmi La distanza tra i diaframmi varia tra il 20 e il 100% del diametro del mantello Il taglio dei diaframmi è 20-25%
Diaframmi possono essere disposti con il taglio orizzontale o verticale possono occupare l intera sezione se si lascia spazio tra diaframmi e tubi
Vibrazioni nei tubi Si possono saltare delle file di tubi vicino ai bocchelli di ingresso e uscita
Scambiatori costituiti da più corpi
Scambiatori costituiti da più corpi
Scambiatori costituiti da più corpi
Trasporto di uno scambiatore
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 2 2 1 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
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 1 2 1 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
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 85 85 85 80 80 80 75 75 75 70 70 70 65 65 65 T( C) 60 55 T( C) 60 55 T( C) 60 55 50 50 50 45 45 45 40 40 40 35 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
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
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 = 0.45 85 85 85 T( C) 80 75 70 65 60 55 FT = 0.97 80 FT = 0.75 80 FT = 0 T( C) 75 70 65 60 55 T( C) 75 70 65 60 55 50 45 40 35 L 50 45 40 35 L 50 45 40 35 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)
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
Avviamento degli scambiatori
Avviamento degli scambiatori
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
Condensatori
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 10.33 m
Scaricatori di condensa Termodinamico A galleggiante
Ribollitori A termosifone verticale Kettle A termosifone orizzontale A circolazione forzata
Ribollitore a termosifone verticale Ribollitori
Ribollitore a termosifone verticale Ribollitori
Ribollitore Kettle Ribollitori
Ribollitori Ribollitore Kettle Ribollitore Kettle doppio