ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE STATALE

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ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE STATALEcon Indirizzo SCIENTIFICO TECNOLOGICO con Maturità Scientifica “GALILEO GALILEI” Via Matilde di Canossa, 21 - CREMA Tel. 0373 / 256939 - 256905 - Fax 0373 / 250170 E_Mail: [email protected]

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Scambiatore di caloreA.S. 1998/99

Classe 5a MA

AREA DI PROGETTO

Benatti M.,Cassani D.Cazzamalli M.,Frosi RFoppa Vicenzini M.Malusardi C.,Merico M.,Manfredi J.,Moretti D.,Nembri M.,Nodari M.,Piccioni F.,Porchera D.;Pola A.

Prof..Bandirali F.Sig.Ruini G.Sig.Barbieri F.

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SCAMBIATORE DI CALOREIl funzionamento dello scambiatore si basa sulle modalità di

propagazione del calore e, visto che il nostro è uno scambiatore acqua-acqua, in particolare sulla convezione

(trasmissione di calore all interno di un fluido) e sulla conduzione (trasmissione di calore in un solido).

CONVEZIONE: avviene nei fluidi. Si ha una migrazione di molecole le quali, mescolandosi, si scambiano calore. La convezione può essere naturale, quando i movimenti di

materia sono dovuti all esistenza di un gradiente termico, oppure forzata, quando una causa esterna determina

rimescolamenti della massa fluida

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CONDUZIONE: è caratteristica dei corpi solidi. Il calore viene trasmesso per gli urti provocati dalla vibrazione delle particelle costituenti i corpi senza che queste si mescolino

Nel caso di una parete, riscaldando una delle due facce ad una certa temperatura, notiamo che anche l’ altra faccia si riscalda; la temperatura si stabilizzerà sulle due facce

TRASMISSIONE TRA FLUIDI ATTRAVERSO UNA PARETE: è questo il caso dello scambiatore di calore. Comprende, suddiviso in tre fasi, convezione e conduzione:

1-.Il calore del fluido passa alla parete

2-.Il calore passa attraverso la parete

3-.Il calore passa dalla parete al fluido freddo

Le fasi 1 e 3 sono esempi di convezione, mentre la 2 di conduzione

SCAMBIATORE DI CALORE

A volte ( non nel nostro caso ) per proteggere l’apparecchio dalle tensioniche si possono verificare per i diversi allungamenti del mantello e dei tubi,sotto l’effetto del calore, il mantello è munito di dilatatori che gli danno lapossibilità di compensare il fenomeno

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Scambiatore in controcorrente

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Durante il dimensionamento è indispensabile calcolare il coefficiente discambio termico:U = 1/ (1/ h1 + s/ k + 1/ h2 ) dove h1 e h2 sono i coefficienti di convezionedei due fluidi in W/m2K (in questo caso abbiamo da entrambe le parti acqua),s è lo spessore della parete ossia del tubo e k rappresenta il coefficiente diconduzione in W/km.Inizialmente ci sono stati forniti come dati di partenza le temperatured'ingresso e d'uscita del fluido caldo (riscaldante) e del fluido freddo (dariscaldare), la velocità e la portata del fluido, la lunghezza e il diametro deitubi, i coefficienti h1, h2 e k. Tramite i calcoli siamo riusciti a determinare ilnumero di tubi contenuti nel dispositivo.

La portata è stata scelta in funzione della velocità (v =5 m/s), che abbiamoipotizzato visto che la tubazione proveniente dalla caldaia è di 1-1/4 “ (condiametro interno di 36,1 mm e diametro esterno di 42,2 mm).La potenza d'uscita è di circa 22 KW e viene sottratta a quella dell’edificio.E’solo una minima percentuale (quasi il 2%) della potenza presentenell’edificio, la quale ha un valore di 1000000 Kcal/h, pari a circa 1160 KW.

DIMENSIONAMENTO TERMICO

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La temperatura media della caldaia è di 60°C (valore solito negli impianticivili), mentre quella del fluido caldo in ingresso è stata ipotizzataprudentemente a 55°C, prevedendo un salto termico di temperatura di 10°Cperchè il fluido caldo arriva in uscita a 45°C.Per quanto riguarda il fluido freddo derivante dall’acquedotto, da unatemperatura di ingresso di 15°C, abbiamo ottenuto una temperatura di uscitadi 35°C, ideale per un utilizzo di tipo idrosanitario.La lunghezza del nostro scambiatore (cioè la distanza tra la piastra 1 e lapiastra 2) è stata fissata a 1,6 m per facilitare la costruzione della superficiedi scambio.Con una lunghezza minore sarebbe sorto il problema di avere piastre tubieredi diametro troppo elevato, impossibili da realizzare nella nostra officina.

Il dimensionamento da noi svolto è relativo al tipo più semplice discambiatore di calore, mentre il nostro caso riguarda lo scambiatore conflusso di corrente incrociato. Non è necessario svolgere il dimensionamentodi quest’ultimo perché sarebbe difficoltoso, contenendo dei calcoli troppocomplicati da risolvere.


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All’interno di un impianto contenente uno scambiatore di calore, il fluidocaldo riscaldante proveniente dalla caldaia, ritorna a lei; il fluido freddo dariscaldare arriva dalla rete idrica e una volta uscito dallo scambiatore vienemandato all’utilizzatore.E’ possibile verificare tutto questo nello schema finale, che contiene anchemolti altri elementi. Ad esempio possiamo trovare il flussostato che regola laportata mandando impulsi alle pompe tramite una tubazione con pilotaggioelettrico, i manometri che rilevano il valore della pressione in diversi punti,le valvole a sfiato d’aria, le valvole di non ritorno per consentire il passaggiodel fluido in una sola direzione.Le tubazioni provenienti dalla caldaia e collegate all’aerotermo hanno undiametro di 1-1/4”, ed è a queste che ci collegheremo tramite giunti a “ T “di ghisa malleabile modificando i collegamenti esistenti (vedi schema).

Questo tipo di dispositivo (scambiatore) non è utilizzato solamente perimpieghi civili, ma anche nell’industria termica, frigorifera, o petrolifera


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SCAMBIATORE DI CALORE DIMENSIONAMENTO TERMICO SCAMBIATORE DI CALORE

LATO TUBI LATO MANTELLO Fluido freddo (Acqua pozzo) Fluido caldo (Acqua imp.riscaldamento)

T ingresso Tf f i= 15 °C Tf ci= 55 °C

T uscita Tf f u= 35 °C Tf cu= 45 °C

Portata Q= 31,5 l/min

Q / 60000 0,000525 m3/s v = 0,5 m/s

Calore specifico c = 4187 J/KgK

Densità = 1000 Kg/m3

Diametro est.tubi de= 20 mmDiametro int.tubi di= 17 mmLunghezza tubi L tubi= 1600 mm (Esterno piastre tubiere)

Spessore tubi S = (de-di)/2= 1,5 mm = 0,0015 m

Coeff.di convezione hi = 1000 W/m2KCoeff.di conduzione hi = k = 40 W/mK

Coeff.di convezione he = 500 W/m2K

Coeff.scambio termico U = 1/(1/hi+S/k+1/he)= 329,2181 Wh/m2K

m= [(Tfci-Tffu)-(Tfcu-Tffi)]/{2,3*Log[(Tfci-Tffu)/(Tfcu-Tffi)]} = 24,69 °C

. Potenza termica Q=Q**c* T = 21981,75 W

.

Q=U * Ascambio * m

.

Ascambio=106*Q/(U* m) = 2704233 mm2

d medio tubi =(de+di)/2 = 18,5 mm

altezza circonferenze sviluppate h = Ascambio/Ltubi= 1690,15 mm = * dmedio * Ntubi

Ntubi= h/(3,14*d)= 29

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COMPLESSIVO SCAMBIATORE

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1-BOCCAGLI (TRONCHETTI E FLANGE) cartellino di lavorazione


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1-BOCCAGLI (TRONCHETTI E FLANGE) I tronchetti sono ricavati da tubi senza saldatura.

Le flange sono ricavate da lamiera,sono unite ai tronchetti mediante saldature a piena penetrazione.

.


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2-MANTELLO, BOCCAGLI E SUPPORTI cartellino di lavorazione

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2-MANTELLO: è un tubo senza saldatura dotato di attacchi per l’entrata e l’uscita dei fluidi.

Al mantello sono saldate le piastre tubiere e all’interno di esso si posiziona il fascio tubiero.


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FORATURA PIASTRA TUBIERA,DIAFRAMMI,FLANGE

Pos. X Y Pos. X Y

A 0 8834 26 -37 -20,78

B 0 -88,34 27 -13 -20,78

C 61 0 28 13 -20,78

D -61 0 29 37 -20,78

1 -48 67,56 30 61 -20,78

2 -24 67,56 31 85 -20,78

3 0 67,56 32 -60 -48,76

4 24 67,56 33 -36 -48,76

5 48 67,56 34 -12 -48,76

6 -60 46,78 35 12 -48,76

7 -36 46,78 36 36 -48,76

8 -12 46,78 37 60 -48,76

9 12 46,78 38 -48 -67,56

10 36 46,78 39 -24 -67,56

11 60 46,78 40 0 -67,56

12 -85 20,78 41 24 -67,56

13 -61 20,78 42 48 -67,56

14 -37 20,78 100 158,41 33,9

15 -13 20,78 101 92,63 92,63

16 13 20,78 102 33,9 158,41

17 37 20,78 103 -33,9 158,41

18 61 20,78 104 -92,63 92,63

19 85 20,78 105 -158,41 33,9

20 -49 0 106 -158,41 -33,9

21 -25 0 107 -92,63 -92,63

22 25 0 108 -33,9 -158,41

23 49 0 109 33,9 -158,41

24 -85 -20,78 110 92,63 -92,63

25 -61 -20,78 111 158,41 -33,9

SCHEMA DI FORATURA PER PIASTRE TUBIERE,DIAFRAMMI,CASSA E DISTRIBUTORE

LE FORATURE SONO ESEGUITE SULLAFRESATRICE VERTICALE CON VISUALIZZATORE DIGITALE DI QUOTE CHE PERMETTE DI OTTENERE TOLLERANZE CENTESIMALI SUGLIINTERASSI DEI FORI. CIO’ E’ INDISPENSABILE PERUN CORRETTO E AGEVOLE MONTAGGIO DEL FASCIO TUBIERO.

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3-4-DISTRIBUTORE E CASSA DI RITORNO cartellino di lavorazione


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3-DISTRIBUTORE: è un involucro flangiato, atto a contenere il fluido da riscaldare,al suo interno sono saldati i setti ripartitori del flusso. E’ chiuso da un fondo piano che porta i boccagli di entrata e uscita.


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4-CASSA DI RITORNO: è un involucro flangiato, atto a contenere il fluido da riscaldare,al suo interno sono saldati i setti ripartitori del flusso.E’ chiuso da un fondo piano saldato a piena penetrazione.


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5-SETTI RIPARTITORI DEL FLUSSO:sono dei piatti saldati all’interno del distributore e della cassa.Sono disposti in modo da ottenere uno scambiatore a quattro passaggi.


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cartellino di lavorazione


6-FONDI PIANI

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6-FONDI PIANI:sono saldati al distributore e alla cassa. Sul fondo del distributore sono saldati i boccagli di entrata e uscita del fluido.


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7-PIASTRE TUBIERE cartellino di lavorazione


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7-PIASTRE TUBIERE:sono l’elemento di separazione dei due fluidi. Nei fori nella parte centrale

sono mandrinati i tubi interni.I fori nella parte esterna servono per il fissaggio del distributore e della cassa

mediante tiranti e dadi.


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8-DIAFRAMMI cartellino di lavorazione


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8-DIAFRAMMI:sono dischi di lamiera forata tagliati al 25%. Montati in senso alternato, costringono il fluido ad un movimento vorticoso,che incrementa lo scambio termico.


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9-FASCIO TUBIERO

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9-FASCIO TUBIERO:è composto dai tubi interni e dalla gabbia dei diaframmi bloccati tra di loro dai tiranti e dai distanziali.


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10-ASSEMBLAGGIO DEL FASCIO TUBIERO

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10-ASSEMBLAGGIO DEL FASCIO TUBIERO:si posizionano i tiranti nei fori filettati della piastra tubiera,si montano in sequenza i distanziali,i diaframmi alternando un destro e un sinistro.Si blocca il fascio tubiero con doppi dadi.


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11-ASSEMBLAGGIO MANTELLO -PIASTRE TUBIERE

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11-ASSEMBLAGGIO MANTELLO -PIASTRE TUBIERE Dopo aver infilato il fascio tubiero nel mantello, si posiziona la seconda piastra tubiera,si infilano i tubi interni, si saldano

le piastre tubiere a piena penetrazione ed i supporti al mantello.


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12-ASSIEMATURA DISTRIBUTORE E CASSA

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12-ASSIEMATURA DISTRIBUTORE E CASSA: si saldano i fondi piani a piena penetrazione , i setti ripartitori del flusso ed i boccagli.E’ necessario tornire nuovamente le superfici di contatto delle guarnizioni per una corretta tenuta.

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13-GUARNIZIONI

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13-GUARNIZIONI: servono per la tenuta degli accoppiamenti flangiati. Sono ricavate da fogli di fibra minerale esente amianto dello spessore di 3 mm. .


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14-15:MANDRINATURA DEI TUBI E PROVA PNEUMATICA DI TENUTA

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14-MANDRINATURA DEI TUBI: per evitare il trafilaggio dei liquidi dal mantello ai tubi e viceversa ,si esegue la mandrinatura di tenuta,che consiste nell'allargare i tubi nei loro fori con un apposito mandrino a rulli conici.


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15-PROVA PNEUMATICA DI TENUTA DEL MANTELLO:per controllare la mandrinatura dei tubi e la tenuta delle saldature si immette nel mantello aria compressa alla pressione di 0,5 bar controllando le perdite con acqua saponata e con un manometro, che non deve segnalare cadute di pressione. In caso di perdite, si ripete la mandrinatura fino a tenuta. .


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16-PROVA PNEUMATICA DI TENUTA LATO TUBIcartellino di lavorazione

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16-PROVA PNEUMATICA DI TENUTA LATO TUBI:per controllare la tenuta delle saldature e del giunto flangiatosi immette aria compressa alla pressione di 0,5 bar, controllando le perdite con acqua saponata e con un manometro che non deve segnalare perdite di pressione.


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17-PROGETTAZIONE COMPONENTI TUBAZIONI DI COLLEGAMENTO:elaborazione del lay-out dell’impianto,verifica dei percorsi delle tubazioni,prove di assemblaggio.


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18-APPRONTAMENTO COMPONENTI TUBAZIONI DI COLLEGAMENTO

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18-APPRONTAMENTO COMPONENTI TUBAZIONI DI COLLEGAMENTO

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18-APPRONTAMENTO COMPONENTI TUBAZIONI DI COLLEGAMENTO :costruzione delle parti speciali,filettatura dei tubi,saldatura e aggiustaggio delle tubazioni sull’impianto,montaggio delle valvole,delle pompe e dei misuratori di portata. Prova idraulica di tenuta delle giunzioni saldate e filettate.


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19-COLLAUDO FINALE :Identificazione strumenti,prova idraulica finale.Prove di funzionamento.


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RITORNO ALLA DIAPOSITIVA n°1

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