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