SCAMBIATORIDI 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

A. In base al processo di scambio termico a contatto diretto (torri evaporative) a contatto indiretto (c’è una parete solida)

B. In base al rapporto superficie/volume: “compatti” se il rapporto è > 700 m2/m3

C. 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.

Scambiatore di calore a tubi e mantello con tubi ad U ripiegati

piastra

testata

diaframmi

tubi ad U

mantello

Ta,u Tb,u

Ta,iTb,i

1

2

1ln

2

1

2

1

e

fe

i

fi

eei

e

ii A

LR

A

LR

hrr

r

khrU

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 tubazionere = raggio esterno tubazionek = conducibilità termica paretehi = coefficiente scambio termico fluido-parete internahe = coefficiente scambio termico fluido-parete esternaRfi 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

ei TTULq

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 LOGARITMICA2) METODO DELL’EFFICIENZA DELLO SCAMBIATORE DI CALORE

ENTRAMBI I METODI FANNO RIFERIMENTO ALL’EQUAZIONE:

dATTUq fc

U = coefficiente scambio termico per unità di superficieTc 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

TmUAq

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

fffpffff dTCdTCmdimdq (1)

cccpcccc dTCdTCmdimdq (2)

con:m = portata in massai = entalpia per unità di massaCp = calore specificoC = mCp = capacità termica

dATTUdq fc (3)

fcfc CC

dqTTd11

dalle (1) e (2)

fc

fc

CC

TTddq

11

Afcfc

fc dACC

UTT

TTd 11)(2

1sostituendo nella (3) ed integrando:

se U e C si assumono costanti:

fcfc

fc

CCUA

TT

TT 11ln

1

2 (4)

sostituendo nella 4 le espressioni di Cc e Cf ottenute integrando la (1) e (2)

211

2ln fcfcfc

fc TTTTq

UA

TT

TT

1

2

12

lnT

T

TTUAq

T1, T2 differenze di temperatura tra i due fluidi all’ingresso e all’uscita dello scambiatore

1

2

12

lnT

T

TTTm

DIFFERENZA DITEMPERATURAMEDIA LOGARITMICA

SCAMBIATORI A PASSAGGI MULTIPLI

ln,mm TFT

ANALISI CON IL METODO DELL’EFFICIENZA

maxq

q

q = flusso termico effettivamente scambiatoqmax = massimo flusso termico che può essere scambiato quando la corrente di minima capacità termicaCmin = (inCp)min subisce la massima variazione di temperatura realizzabile con un dato scambiatore (differenza tra le temperature di ingresso dei 2 fluidi)

Kays e London

infinc TTCq ,,minmax

infinc

infuscff

infinc

usccincc

TTC

TTC

TTC

TTC

,,min

,,

,,min

,,

se è noto

infinc TTCq ,,min

Kays e London hanno dimostrato che per qualunque tipo di scambiatore dipende dalle capacità e dal parametro dimensionale NTU:

minC

UANTU 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

max

min,C

CNTUf

La forma della funzione f è stata ricavata per numerose configurazioni di scambiatori ed è espressa in forma grafica