SCAMBIATORI DI CALORE

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Lo scopo degli scambiatori di calore quello di trasferire energia termica fra due fluidi a temperatura diversa. Gli scambiatori sono usualmente classificati in funzione del tipo di flusso che gli attraversa e dal tipo di costruzione. Lo scambiatore a tubi concentrici è il tipo più semplice, anche se poi quasi mai usato.

La prima fondamentale distinzione è tra:

• scambiatori a contatto diretto (o a miscela, es. torri evaporative)

• scambiatori a contatto indiretto (o a superficie, esempio caldaia a tubi di fumo).  

La configurazione può essere in equicorrente, quando i flussi dei due fluidi scorrono nello stesso verso, o in controcorrente quando i versi sono opposti. ​Un'altra configurazione molto comune è quella in cui i moti dei fluidi sono incrociati.

Fluidi di servizio: 

Per riscaldare o raffreddare un determinato reagente in genere si usa un fluido di processo ad una T costante e prima ancora si preriscalda (o preraffredda) con un fluido in uscita dall'impianto per recuperare parte del calore, che altrimenti andrebbe sprecato (considerando anche i costi dell'energia attuali).

• fluidi frigoriferi (etilene, NH3, CO2, N2) da -80°C a -10°C

• salamoia (H2O+NaCl) da -15°C a +5°C

• acqua refrigerata da 5°C a 20°C

• acqua di pozzo da 10°C a 30°C

• acqua industriale da 20°C a 40°C

• aria da 50°C a 150°C

• acqua demineralizzata da 40°C a 250°C (temperatura massima in caldaia)

• oli termici da 50°C a 300°C

• oli diatermici o termici speciali (paraffine) da 200°C a 350°C

• fumi di combustione da 200°C a 1000°C

• sali fusi

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Applicazioni:

• In ambito civile: Un settore dove sono molto utilizzati (soprattutto a piastre) sono gli impianti di teleriscaldamento dove costituiscono l'interfaccia tra la rete di distribuzione dell'acqua calda o surriscaldata prodotta dalla centrale di quartiere e l'impianto di riscaldamento dell'utente finale. Un'altra applicazione è negli impianti di climatizzazione/condizionamento di locali o veicoli che vengono attraversati da un fluido refrigerante.

• In ​ambito industriale:  possono essere utilizzati per il raffreddamento o il riscaldamento di correnti fluide, svolgere cambiamenti di stato (condensazione, evaporazione e cristallizzazione), spesso questi cambiamenti di stato sono svolti allo scopo di separare i componenti di una miscela, sterilizzazione e pastorizzazione.

​Simbologia UNICHIM

​Scambiatori per modello costruttivo:

A seconda della geometria dello scambiatore, si possono definire:

• scambiatore tubulare

  • 1. 1. scambiatore a doppio tubo ( "a tubi concentrici"): i fluidi scorrono in due tubi coassiali, uno interno e uno esterno; è l'unica configurazione che permette un profilo termico in equicorrente o controcorrente perfetti;

       2. scambiatore a fascio tubiero e mantello: uno dei fluidi passa all'interno di tubi e l'altro all'esterno dei tubi stessi, in una camera (mantello) appositamente realizzata; in questo tipo di scambiatore, durante l'attraversamento dell'apparecchiatura la direzione del moto del fluido lato mantello può cambiare repentinamente a causa della presenza di "diaframmi", per cui lo scambio di calore può avvenire secondo varie modalità (equicorrente, controcorrente o flusso incrociato);sono il tipo di scambiatori di calore più utilizzati nell'ambito industriale;

       3. scambiatore a trombone (o a gocciolamento): sono costituiti da un tubo a forma elicoidale dentro cui scorre il fluido di processo che viene raffreddato attraverso un film di acqua che viene fatta gocciolare dall'alto.

       4. scambiatore a superficie raschiata: i tubi di questi scambiatori presentano al loro interno delle lame rotanti che raschiano la superficie interna del tubo; sono utilizzati per fluidi altamente sporcanti, viscosi o che tendono alla cristallizzazione.

       5. scambiatore a superficie immersa: serpentino per il riscaldamento o il raffreddamento di fluidi;

  • tubi di un forno: i tubi riscaldati tramite irraggiamento e scambiano il calore con le correnti che transitano all'interno.​

• scambiatore a piatti

  • scambiatore a piastre: i due fluidi lambiscono i lati opposti di una lamiera, solitamente corrugata o piana con l'inserimento di turbolatori, in camere alternate e tra loro isolate e la geometria di questi scambiatori è analoga alla filtropressa; un caso particolare è lo scambiatore roll-bond, in cui i canali di un lato sono interni ad una lamiera monoblocco, mentre nell'altro lato si ha un fluido, solitamente stazionario. Sono utilizzati principalmente nel campo del trasporto terrestre ed aereo;

  • scambiatore a spirale: i due fluidi passano ai lati opposti di una lamiera in camere singole di elevata lunghezza, avvolte a spirale;​

• scambiatore a blocchi di grafite o altro materiale: le correnti circolano in fori cilindrici, solitamente disposti ortogonalmente nei due lati;

• scambiatore a superficie estesa

  • tubo alettato

  • scambiatore aerorefrigerante: il fluido da raffreddare passa attraverso dei tubi (generalmente con alettatura) che sono raffreddati attraverso un ventilatore che raccolgono l'aria circostante e la direzionano sui tubi;

  • scambiatore a pacco alettato: uno dei fluidi passa all'interno di tubi, solitamente a sezione circolare, e l'altro (gassoso) attraverso il pacco alettato all'esterno dei tubi;

  • scambiatore a microcanali: uno dei fluidi passa all'interno di piattine cave aventi dei canali a sezione quadrata e l'altro (gassoso) attraverso il pacco alettato all'esterno dei tubi;

  • scambiatore a lamella: è costituito da lamiere grecate saldate tra loro, che costituiscono la superficie di scambio termico;

• apparecchiature incamiciate;

• rigenerativo: le correnti vengono inviate alternativamente all'interno di una camera di mattoni inerti (rigeneratore Cowper), oppure in particolari unità rotanti in lamierino (scambiatore Ljungström).

​​Parametri collocazione fluido lato tubi e lato mantello:​​

1. corrosione: il fluido più corrosivo viene messo in lato tubi

2. sporcamento: il fluido con maggiore tendenza a sporcare lato tubi

3. temperatura e contenuto termico: fluido a T maggiore lato tubi per evitare perdite di calore

4. pressione: il fluido a P maggiore lato tubi perché è più economico farli resistere a P maggiori rispetto che rinforzare il mantello

5. perdite di carico: il fluido con minori perdite di carico lato tubi

6. viscosità: il più viscoso lato mantello se il moto è turbolento, lato tubi se laminare

7. portate: fluido con minor portata lato mantello visto le perdite di carico minori

DIMENSIONAMENTO

Calcolo dell'area necessaria per lo scambio termico. I seguenti calcoli valgono solo per gli scambiatori in equicorrente e in controcorrente, che tra l'altro sono i più diffusi. Inoltre gli scambiatori in controcorrente scambiano meglio di quelli in equicorrente.

Errori:

La determinazione della trasmittanza è molto importante per la valutazione dell’efficienza di uno scambiatore, ma il conto è affetto da viari errori.

In fase di progettazione non conosciamo l’area e quindi non possiamo calcolare la trasmittanza.

L’altro problema, il più importante, è che le superfici di scambio si sporcano durante il funzionamento (fouling), generando una resistenza aggiuntiva che non è possibile conoscere esattamente

​Come esempio consideriamo uno scambiatore a fascio tubiero. La resistenza totale Rtot vale:

Infine otteniamo:

Diagrammi per la valutazione di F in scambiatori a fascio tubiero

• Nel caso in cui il Δ​t <<ΔT si ha P-->0

• Nel caso in cui il Δ​T <<Δt si ha R-->0

In entrambi i casi gli scambiatori (eccetto con capacità termiche Ck =Cc) (calore latente q=m r) scambiano la stessa potenza F=1 indipendentemente dalla configurazione.

Condizioni operative particolari: al variare delle capacità termiche

2) Verifica dati - metodo dell'efficienza

Qualche volta sono note solo le portate e le temperature d’ingresso dei due fluidi, oppure conosciamo già i dati geometrici dello scambiatore, ma vogliamo calcolare come si comporta in condizioni diverse da quelle di progetto. In questi casi per utilizzare il metodo della Tml sarebbe necessario ricorrere a dei metodi iterativi. Per ovviare a questa difficoltà si ricorre al metodo dell’efficienza.

Definiamo qmax, Thi, Tci, Ch, Cc e Cmin=min(Ch,Cc) e Cmax= max(Ch,Cc).

Efficienza di uno scambiatore: rapporto tra la potenza termica effettivamente scambiata e la massima potenza termica scambiabile. Questa potenza massima sarà esprimibile in funzione della massima variazione di temperatura possibile nel sistema, variazione attribuita alla massima capacità termica utilizzabile, quest'ultima corrispondendo al minore dei due prodotti

Abbiamo una dipendenza del tipo:

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