SCAMBIATORI DI CALORE

SCAMBIATORI DI CALORE UNO SCAMBIATORE DI CALORE E’ UN’APPARECCHIATURA CHE PERMETTE ILTRASFERIMENTO DI ENERGIA TERMICA TRA DUE O PIU’ FLUIDI A TEMPERATURA DIVERSA. NUMEROSISSIME SONO LE APPLICAZIONI NEGLI IMPIANTI DI PRODUZIONE DI POTENZA, NEI PROCESSI CHIMICI, RISCALDAMENTO EDIFICI, CONDIZIONAMENTO ARIA, REFRIGERAZIONE, PROPULSIONE TERRESTRE, ECC. Diverse sono le denominazioni: evaporatore, condensatore, rigeneratore, generatore di vapore, preriscaldatore, ecc. Classificazione In base al processo di scambio termico a contatto diretto (torri evaporative) a contatto indiretto (c’è una parete solida) In base al rapporto superficie/volume: “compatti” se il rapporto è > 700 m2/m3 In base alle configurazioni di moto: - a correnti parallele (equicorrente/controcorrente) - fascio tubiero con diaframmi (mista) - con moto incrociato

Scambiatore di calore a tubi e mantello a singolo passaggio e con diaframmi. Scambiatore di calore a tubi e mantello a quattro passaggi lato tubi e a due passaggi lato mantello.

piastra testata diaframmi tubi ad U mantello Ta,u Tb,u Ta,i Tb,i Scambiatore di calore a tubi e mantello con tubi ad U ripiegati

IL COEFFICIENTE GLOBALE DI SCAMBIO TERMICO IN GENERE IL PROCESSO DI SCAMBIO TERMICO AVVIENE ATTRAVERSO UNA PARETE SOLIDA LE CUI SUPERFICI SONO RICOPERTE DA UN DEPOSITO (“FOULING”), DOVUTO AL PASSAGGIO DEI FLUIDI SULLA PARETE coefficiente globale di scambio termico x unità di lunghezza: ri = raggio interno tubazione re = raggio esterno tubazione k = conducibilità termica parete hi = coefficiente scambio termico fluido-parete interna he = coefficiente scambio termico fluido-parete esterna Rfi e Rfe sono le resistenze di fouling interne ed esterne, dovute a depositi e sporcamenti (m2 K/W) flusso termico scambiatore tra i fluidi a temp. Ti e Te La resistenza di fouling è zero per le nuove apparecchiature e cresce nel tempo al crescere del deposito sulla superficie.

ANALISI DEGLI SCAMBIATORI DI CALORE DUE PROBLEMI: 1) È ASSEGNATO IL FLUSSO TERMICO q CHE DEVE ESSERE SCAMBIATO E LE TEMPERATURE DI INGRESSO E USCITA DEI DUE FLUIDI, OCCORRE DETERMINARE LA SUPERFICIE DI SCAMBIO TERMICO 2) È NOTA LA GEOMETRIA DELLO SCAMBIATORE, OCCORRRE DETERMINARE IL FLUSSO GLOBALE q AL VARIARE DELLE CONDIZIONI OPERATIVE 1) METODO DIFFERENZA DI TEMPERATURA MEDIA LOGARITMICA 2) METODO DELL’EFFICIENZA DELLO SCAMBIATORE DI CALORE ENTRAMBI I METODI FANNO RIFERIMENTO ALL’EQUAZIONE: U = coefficiente scambio termico per unità di superficie Tc e Tf = temperature locali fluido caldo e freddo U varia all’interno dello scambiatore, ma per un’analisi preliminare si è soliti assumere un valore medio

METODO DTML Hp: - CORRENTI EQUIVERSE - REGIME PERMANENTE - SCAMBIATORE ISOLATO TECNICAMENTE RISPETTO ALL’ESTERNO VARIAZIONI DI ENERGIA CINETICA E POTENZIALE DEI DUE FLUIDI TRASCURABILI BILANCIO DI ENERGIA SULL’AREA INFINITESIMA dA (1) (2) (3) con: m = portata in massa i = entalpia per unità di massa Cp = calore specifico C = mCp = capacità termica dalle (1) e (2) sostituendo nella (3) ed integrando:

se U e C si assumono costanti: (4) sostituendo nella 4 le espressioni di Cc e Cf ottenute integrando la (1) e (2) T1, T2 differenze di temperatura tra i due fluidi all’ingresso e all’uscita dello scambiatore DIFFERENZA DI TEMPERATURA MEDIA LOGARITMICA

SCAMBIATORI A PASSAGGI MULTIPLI

ANALISI CON IL METODO DELL’EFFICIENZA Kays e London q = flusso termico effettivamente scambiato qmax = massimo flusso termico che può essere scambiato quando la corrente di minima capacità termica Cmin = (inCp)min subisce la massima variazione di temperatura realizzabile con un dato scambiatore (differenza tra le temperature di ingresso dei 2 fluidi) se  è noto

Kays e London hanno dimostrato che per qualunque tipo di scambiatore  dipende dalle capacità e dal parametro dimensionale NTU: Number of Transfer Units Ha il significato del rapporto tra il flusso termico trasmesso per unità di differenza di temperatura media tra i fluidi e il flusso termico corrispondente ad una variazione di temperatura unitaria del fluido di minor capacità termica La forma della funzione f è stata ricavata per numerose configurazioni di scambiatori ed è espressa in forma grafica