Trasmissione del calore tra due fluidi in movimento separati
da una parete, scambiatori a doppio tubo -HAIRPINGli scambiatori di calore sono apparecchiatura la cui funzione è
quella di realizzare il trasferimento di calore tra due fluidi a
temperature differenti.
Le apparecchiatura di scambio termico si possono classificare in:
Evaporatori:
utilizzati per evaporare soluzioni o concentrare
soluzioni.
Refrigeranti: quando un fluido di processo è raffreddato da un
fluido di servizio.
Condensatori: quando un vapore di processo viene condensato
da un refrigerante.
Riscaldatori: quando un fluido di processo viene riscaldato.
Ribollitori:
quando un liquido di processo viene vaporizzato
da uno di servizio.
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Il modello più semplice di scambiatore di calore è lo
scambiatore a doppio tubo o hairpin .
Esso è costituito da due tubi concentrici in cui un fluido
passa all’interno del tubo a sezione più piccola ed un altro
attraverso quello a sezione maggiore.
Tubo
interno
Il verso di spostamento dei due fluidi
può essere concorde, in questo caso
si parla di scambio in “equicorrente,
oppure opposto, scambio in “contro
corrente”.
Fluido 1
Fluido 2
Tubo
maggiore
2
Riportando su grafico gli andamenti delle temperature nei due differenti
casi si ottengono:
tci r
s
T°
tcus
T°
tci
r
tfus
tfus
tfi
Equicorrente
s
tcus
tfi
Controcorrente
Si osserva che nell’equicorrente il salto termico tra il fluido caldo e il
fluido freddo diminuisce e la tfus è sempre inferiore alla tcus. Nel
controcorrente
vi è una certa costanza nella differenza della
temperatura. L’equazione di scambio è Q = A * U * Δt ml .
Si utilizza la media logaritmica perchè risponde meglio alla
quantificazione del fenomeno dal punto di vista delle differenze di
temperatura lungo l’hairpin.
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Il Δt ml si calcola considerando le temperature di ingresso
e uscita del fluido caldo e di quello freddo ( rette r ed s)
Δtml =
(tci – tfi) – (tcus – tfus)
ln
Δtml =
(tci – tfi)
(tcus – tfus)
(tci –tfus) – (tcus –tfi)
ln
caso dell’equicorrente
(tci –tfus)
caso del controcorrente
(tcus –tfi)
Si dimostra praticamente che il Δt ml calcolato con la
modalità controcorrente fornisce un valore numericamente
più grande, pertanto il calore Q scambiato risulta
maggiore.
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Il controcorrente è quindi più vantaggioso.
Quando il fluido da riscaldare è “termo-labile” si
preferisce lo scambio in equicorrente. Per capire il
motivo si consideri una soluzione
sottoposta a
concentrazione
per
evaporazione
dell’acqua,
nel
controcorrente la soluzione in uscita, più concentrata
viene a contatto con il fluido riscaldante che si trova
nella sua massima temperatura e ciò può danneggiare il
soluto.
Gli scambiatori di calore, la maggior parte dei casi, sono
usati come recuperatori di calore, cioè utilizzati per
preriscaldare i fluidi di processo che si accingono ad
essere sottoposti ad una “operazione unitaria” o ad un
“processo unitario”.
Altro utilizzo è il raffreddamento dei fluidi che vanno allo
stoccaggio.
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Scambiatori di calore
E
Kettle-utilizzato come vaporizzatore
nelle colonne di distillazione
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Gli scambiatori a fascio tubiero più semplici sono
costituiti
da
due
piastre
bucherellate,
che
rappresentano gli estremi del fascio tubiero, il tutto
contenuto nel “mantello”. Essendo lo scambio funzione
dello sviluppo in lunghezza dei tubi, vengono costruiti
scambiatori che hanno agli estremi dei tubi delle “teste”
suddivise in due o più settori in modo che il fluido
percorra, prima di uscire, più volte la lunghezza dei
tubi. Gli scambiatori possono avere dimensioni di oltre
5 m, per cui sono necessari “giunti di dilatazione”, cioè
sistemi che ammortizzano l’allungamento dei tubi
dovuto al calore. Un sistema è la testa flottante che
permette, con movimenti in un senso e nell’altro di
compensare l’allungamento.
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Scambiatore a fascio
tubiero
Scambiatore a testa
flottante
Testa flottante
Ribollitore
Kettle
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TIC
V
E
Scaricatore di
condensa
Fluido di
processo
S
V : Vapore
Valvola servocomandata azionata dal controllo della
temperatura del fluido in uscita dello scambiatore.
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Q2
Bilancio di energia di uno scambiatore.
Con le lettere Q sono indicate le quantità
di calore (Entalpie) associate ai fluidi
presenti.
Q1 : calore relativo al fluido
riscaldante in ingresso;
Q2 : calore relativo al fluido
riscaldante in uscita;
Q3 : calore relativo al fluido di
processo in ingresso;
Q4 : calore relativo al fluido di
processo in uscita;
Q3
E
Q1
Q4
Q1 + Q3 = Q2 + Q4
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La quantità di calore Q è = massa * calore specifico * la
temperatura. Sostituendo si ha:
m*cp1*(t1) + M*cp2*(t3) = m*cp1*(t2) + M*cp2*(t4)
m*cp1*(t1- t2 ) = M*cp2*(t4 – t3)
Questa equazione di bilancio mette in relazione la quantità di
calore persa dal fluido riscaldante con l’aumento di calore del
fluido di processo.
Se con m si indica la massa del fluido riscaldante (acqua calda)
e con M la massa del fluido di processo, l’equazione di bilancio
permette la determinazione, in Kg/h dell’acqua calda necessaria
a portare il fluido di processo da t3 a t4.
M*cp2*(t4 – t3)
m=
cp1*(t1- t2 )
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