Scambio Termico
Si ha trasmissione di calore, all’interno dello stesso corpo o fra due
corpi differenti posti in contatto, quando sussiste una differenza di
temperatura. Esistono tre meccanismi di scambio termico:
• Conduzione: il calore si trasmette senza che si abbia un movimento
macroscopico di materia, avviene nei solidi e nei fluidi in quiete.
• Convezione: avviene attraverso il moto di vari elementi costituenti la
materia, può essere naturale se il movimento è spontaneo oppure
forzata se il movimento è indotto.
• Irraggiamento: in questo caso il calore si trasmette in maniera simile
alla propagazione delle onde elettromagnetiche, il trasferimento può
avvenire anche nel vuoto (radiazione solare).
Nella maggior parte dei processi industriali il calore viene trasmesso
per convezione dove due fluidi vengono posti in contatto attraverso
una superficie di scambio.
Meccanismi di trasferimento: Conduzione
Nella conduzione il calore viene trasmesso attraverso il movimento di
molecole adiacenti, può avvenire fra solidi liquidi e gas. Nei gas il
trasferimento avviene dalle molecole “più calde” a cui è associato un
maggiore movimento e livello energetico a quelle “più fredde” a più basso
livello energetico. Questo tipo di trasferimento avviene in tutti i solidi,
liquidi e gas in cui esiste un gradiente di temperatura. Nella conduzione
l’energia può essere inoltre trasferita attraverso gli elettroni “liberi”,
questo fenomeno è rilevante nei solidi metallici. Esempi di conduzione
sono: trasferimento di calore attraverso le pareti di uno scambiatore di
calore o di un refrigeratore, etc.
Legge di Fourier per la conduzione in fluidi o solidi:
qx
dT
= −k
A
dx
qx è il calore trasferito nella direzione x (W),
A è la sezione normale alla direzione del
flusso di calore (m2), T è la temperatura (K),
x la distanza (m) e k la conduttività termica
(W/m K).
Conduzione attraverso una lastra piana
Considerando la conduzione di calore
attraverso una lastra piana di sezione e
conducibilità termica costante pari
rispettivamente a A e k, l’equazione di
Fourier può essere scritta come:
T1
q
T2
∆x
q
k
k
=
(T1 − T2 ) = (T1 − T2 )
A x 2 − x1
∆x
Ossia la temperatura varia linearmente
con la distanza
T1
T2
Distanza (m) ∆x
Meccanismi di trasferimento: Conduzione
In = qx|x
Out = qx|x+∆x
∆x
La quantità dT/dx è chiamata gradiente di temperatura nella direzione x,
mentre il segno meno nell’equazione di Fourier è dovuto al fatto che
nella direzione del flusso di calore la temperatura diminuisce.
Conduzione attraverso solidi in serie
A
B
C
T1
q
T2
∆xA
T3
∆xB
T4
∆xC
Considerando una parete
costituita
da
differenti
materiali il calore trasferito
da uno strato all’altro è
costante in quanto non c’è
accumulo o generazione di
calore quindi si può scrivere
l’equazione di Fourier nella
forma:
kA A
kB A
kC A
q=
(T1 − T2 ) =
(T2 − T3 ) =
(T3 − T4 )
∆x A
∆x B
∆xC
Conduzione attraverso solidi in serie
Esplicitando le singole forze motrici e sommandole membro a membro si
ottiene:
∆x A
∆x B
∆xC
; (T2 − T3 ) = q
; (T3 − T4 ) = q
(T1 − T2 ) = q
kA A
kB A
kC A
∆x A ∆x B ∆xC
∆x A
∆x B
∆xC
+q
+q
= q
+
+
(T1 − T4 ) = q
kA A
kB A
kC A kA A kB A kC A
q=
(T1 − T4 )
∆x A ∆x B ∆x C
+
+
k A A k B A kC A
=
(T1 − T4 )
R A + R B + RC
Meccanismi di trasferimento: Convezione
Nella convezione si ha un mescolamento macroscopico di elementi fluidi
più caldi con elementi più freddi. Solitamente è un meccanismo correlato
allo scambio di calore fra una superficie solida e un liquido o un gas.
Vengono distinti due tipi di convezione; quella forzata in cui il fluido viene
costretto a fluire su una superficie solida da una pompa, un ventilatore o
un generico apparecchio meccanico e quella naturale in cui gli elementi di
fluido caldi e freddi si muovono in relazione alla loro differenza di densità.
Esempi di convezione sono il raffreddamento del radiatore della macchina
attraverso la ventola, il raffreddamento del caffè quando soffiamo sulla sua
superficie etc.
Legge di Fourier per la convezione in fluidi:
q = h A (Tw- Tf)
Tw è la temperatura della parete solida mentre
Tf è la temperatura di bulk ossia del fluido
indisturbato, h è il coefficiente di trasferimento
convettivo (W/m2 K).
Meccanismi di trasferimento: Convezione
Il coefficiente h dipende dalla geometria del sistema, dalle proprietà del
fluido, dalla velocità del fluido e dalla differenza di temperatura. Molto
spesso la valutazione di questo coefficiente avviene attraverso relazioni
empiriche.
Meccanismo
h (W/m2 K)
Vapore condensante
5700-28000
Organici condensanti
1100-2800
Acqua in movimento
280-17000
Aria ferma
2.8-23
Aria in movimento
11.3-55
Apparecchiature per lo scambio termico
Le apparecchiature in cui vengono realizzate le operazioni di scambio
termico sono chiamate scambiatori di calore e possono essere
classificati sia in funzione del servizio che svolgono, sia in base alla loro
forma costruttiva.
Funzione: Scambiatori di calore, condensatori, refrigeranti, ribollitori,
vaporizzatori, riscaldatori e recuperatori di calore.
Design: a camicia, a tubi singoli, a fascio tubiero, a piastre, a spirale, a
superficie raschiata.
La scelta e la progettazione delle apparecchiature si scambio termico
viene eseguita in modo tale che l’apparecchio assicuri non solo il
servizio richiesto, ma soddisfi anche altri requisiti come la resistenza
meccanica e chimica, le limitazioni di caduta di pressione, le esigenze di
ingombro e in genere la corrispondenza fra la soluzione ottimale dal
punto di vista economico che garantisca la sicurezza dell’impianto.
Scambiatori a camicia
Sono ottenuti mediante saldatura di
una camicia piana o curva. Le maggiori
applicazioni si hanno su apparecchi con
superfici lisce e di facile pulizia
(reattori, cristallizzatori)
e spesso
dotati di un sistema di agitazione.
Inconvenienti maggiori si hanno nella
pulizia del sistema di scambio termico,
nelle operazioni di saldatura dei tubi
alla parete che per superfici con
spessori ridotti possono causare
deformazioni.
Scambiatori a tubi singoli concentrici
E’ il più semplice dispositivo di
scambio termico, è costituito da 2
tubi concentrici in cui passano 2 fluidi
a temperature diverse. La loro
superficie è costituita rispettivamente
per il tubo più interno da una parete
di metallo termoconvettore mentre
per quello più esterno da un
materiale termoisolante. Questo tipo
di meccanismo è molto usato
nell'industria alimentare in quanto il
tubo interno si mantiene intatto dalle
incrostazioni ottenendo così un
ottimo livello di igiene. L'assenza delle
stesse è dovuta al fatto che il tubo è
completamente
accessibile
e
facilmente lavabile.
Tubo esterno Tubo interno
2’’
1” e ¼
2” e ½
1” e ¼
3”
2”
4”
3”
Scambiatori a doppio tubo multiplo
Sono un’estensione del doppio
tubo semplice e sono ottenuti
connettendo mediante dei tubi
ad U i i tubi interni e mediante
connessioni a T quelli esterni.
Sono sicuramente di semplice
assemblaggio ma la superficie di
scambio realizzabile è alquanto
limitata (20-30 m2) diversamente
l’ingombro dell’apparecchiatura
risulterebbe proibitivo.
Nel caso in cui il tubo esterno
sia saldato a quello interno la
pulizia
meccanica
non
è
realizzabile per cui è norma
inviare in esso il fluido meno
sporcante in modo da ridurre la
frequenza dei lavaggi chimici.
Scambiatori a fascio tubiero
Sono formati da un insieme di tubi (fascio) ancorati alle estremità su due
piastre tubiere e contenuti in un unico tubo esterno di grandi dimensioni
chiamato “involucro” o mantello. Due coperchi a fondo piano o bombato
chiudono lo scambiatore fissandosi alle piastre e al mantello.
Scambiatori a fascio tubiero
In relazione al fissaggio fra il coperchio dello scambiatore e la piastra
tubiera, gli scambiatori si dividono in:
• a testa fissa (BEM)
• a testa flottante (BES)
• a tubi ad U (BEU)
Scambiatori a testa fissa
E’
il
classico
tipo
di
scambiatore con i tubi fissati
alle piastre che, a loro volta
sono fissate al mantello. Il
blocco non risulta smontabile,
la pulizia pertanto può essere
fatta con spazzole rotanti
all’interno dei tubi e attraverso
chemicals al loro esterno.
Scambiatori a testa flottante
Sono caratterizzati dall’avere solo una testata fissata al mantello, l’altra è
libera di muoversi e dilatarsi liberamente. Il fascio tubiero può essere
sfilato completamente dal mantello aprendo lo scambiatore dal lato della
testa fissa. Rispetto agli scambiatori a testa fissa, quelli a testa flottante
hanno un costo di produzione maggiore di circa il 30%.
Scambiatori a tubi a U
Sono caratterizzati da un fascio tubiero ripiegato ad U in modo tale che
entrambe le estremità dello stesso tubo confluiscano verso l’unica
piastra tubiera ancorata per mezzo di una flangia al mantello. Il fascio
tubiero è libero di scorrere per cui non si creano tensioni dovute alle
dilatazioni termiche, inoltre la possibilità di sfilare completamente il
fascio permette una facile pulizia del mantello. La presenza della curva
invece consente una difficile manutenzione all’interno dei tubi, per
questo devono essere preferiti fluidi poco sporcanti.
Fissaggio Tubi – Piastra Tubiera
Durante l’esercizio dello scambiatore le piastre tubiere sono sollecitate
dalla pressione del fluido lato tubi e di quello lato mantello, questo
comporta la possibilità di trafilamenti e quindi scambi di materia fra i
fluidi. Questo fatto implica due conseguenze principali:
- la contaminazione del prodotto
- la possibilità di esplosioni
Per evitare problemi di sicurezza è quindi molto importante il modo in
cui il tubo e la piastra vengono uniti.
Fissaggio Tubi – Piastra Tubiera
Fissaggio Tubi – Piastra Tubiera
Rivettazione
All’interno del foro praticato sulla
piastra vengono fatte delle scanalature
e si infila il tubo. Attraverso una
rivettatrice (mandrino) si forza il tubo
all’interno delle scanalature assicurando
così il fissaggio. E’ un metodo molto
semplice da realizzarsi, ma presenta lo
svantaggi come una tenuta difficoltosa e
la possibilità che la deformazione del
materiale dei tubi costituisca un punto
di maggiore attacco per corrosione.
Inoltre una sensibile differenza di
temperatura fra tubi e mantello
provoca delle differenti dilatazioni
termiche per cui i tubi sono sollecitati
ad uscire dalle loro sedi.
Per evitare lo sfilamento
di tubi vengono costruite
piastre più spesse in
modo da aumentare la
superficie di contatto fra
piastra e tubo.
Fissaggio Tubi – Piastra Tubiera
Saldatura
I tubi vengono disposti nei fori e vengono
saldati in corrispondenza della loro estremità
superiore. Il metodo è costoso e impone dei
limiti nella massima vicinanza dei tubi infatti
occorre uno spazio sufficiente all’operatore che
esegue la saldatura. La tenuta viene verificata
attraverso radiografie.
Fissaggio Tubi – Piastra Tubiera
Piastre ventilate
Vengono accoppiate due piastre ad una certa distanza tra loro, lo spazio
intermedio serve come sfogo per il fluido che dovesse trafilare dalla
piastra prossima all’uscita del tubo.
E’ un metodo molto costoso utilizzato solo quando il contatto fra i due
fluidi può causare esplosioni.
Giunto di dilatazione
Al fine di ridurre gli stress meccanici dovuti alle espansioni termiche
differenziali fra mantello e tubi vengono montati sul mantello dei giunti
flessibili in grado di assorbire le variazioni dimensionali.
I compensatori di dilatazione assiale agiscono solo nella direzione del
proprio asse. Poiché essi possono assorbire dilatazioni di modesta entità,
trovano applicazione specialmente in tratti di tubo o collegamenti di
apparecchiature che siano di breve lunghezza e perfettamente rettilinei.
Diaframmi (baffles)
I diaframmi o setti vengono posti nel
mantello per dirigere il flusso attraverso i
tubi e allo stesso tempo aumentare la
velocità
lato
mantello
e
quindi
incrementare lo scambio termico. Nel
caso di scambiatori orizzontali hanno una
funzione di sostegno per il fascio tubiero e
di riduzione delle vibrazioni.
Diaframmi - orifizio
Sono costituiti da un disco circolare forato per il passaggio dei tubi. Il
diametro dei fori è 2-3 mm maggiore rispetto a quello dei tubi in questo
modo il fluido lato mantello scorre nella sezione anulare compresa fra il
tubo e il setto. Questa tipologia non è molto utilizzata a causa delle alte
perdite di carico, del possibile danneggiamento dei tubi in corrispondenza
dei fori e della difficoltà di pulizia.
Disco e corona
Il disco e la corona vengono ottenuti dalla stessa piastra circolare e
disposti in modo alternato lungo il fascio tubiero. La differenza fra il
diametro dei fori della piastra e quella dei tubi è molto piccola (circa 0.8
mm). Non sono molto utilizzati a causa dello sporcamento e della
difficoltà nella loro manutenzione.
Diaframmi tagliati
E’ la tipologia più utilizzata e sono ottenuti da una piastra circolare alla
quale viene eliminato uno o più segmenti. L’entità del segmento mancante
viene individuata come percentuale del diametro o dell’area trasversale
del mantello. Il taglio del segmento produce una “finestra” fra mantello e il
setto. L’area delle finestre determina la velocità del fluido in direzione
parallela, mentre la distanza fra due setti consecutivi determina la velocità
del flusso incrociato.
Esistono differenti tipologie di
diaframmi tagliati:
• Singolo segmento
• Doppio segmento
• Triplo segmento
• Nessun tubo nelle finestre
Scambiatori a piastre
Gli scambiatori di calore a piastre sono
composti da una serie di piastre dove i
fluidi scorrono in controcorrente, in canali
alternati.
Le piastre sono provviste di guarnizioni
che impediscono la fuoriuscita dei fluidi
all’esterno ed inoltre, fanno in modo che
i 2 fluidi non si mescolino mai. Per la loro
particolare conformazione, gli scambiatori
a piastre presentano dei coefficienti di
scambio molto elevati. Presentano il
notevole vantaggio di poter addizionare o
rimuovere piastre per modificare la
superficie di scambio. Per la tipologia
costruttiva, il loro utilizzo è comunque
limitato dalla pressione e temperatura di
esercizio (P< 25 bar;T<250°C).
Scambiatori a piastre – elementi costitutivi
1 Piastra fissa
2 Piastra mobile
3 Barra di serraggio
4 Barra portante
5 Colonna di sostegno
6 Connessione alle tubazioni
7 Piastre di scambio
Tipologie di piastre
Ogni piastra presenta un’area di distribuzione nella sua parte superiore e
nella parte inferiore che indirizza il flusso del fluido lungo tutta la lunghezza
della piastra, sia in parallelo che in diagonale.
Scambiatori a piastre – vantaggi
Perdite e malfunzionamenti sono facilmente riconoscibili dall’esterno.
Flessibilità nel design raggiungibile con la numerosa varietà di piastre
disponibili.
Area di scambio facilmente accessibile e modificabile secondo le esigenze
impiantistiche.
Alta efficienza di trasferimento termico a causa dell’alta turbolenza
raggiungibile in entrambi i fluidi.
Dimensioni ridotte e basso peso, una superficie di scambio di 2500 m2 è
realizzabile in una singola unità (minore ingombro, fondazioni ridotte).
Non necessitano di isolamento termico.
Minore sporcamento a causa dell’alta turbolenza e del basso tempo di
permanenza dei fluidi nell’apparecchiatura.
Più di due fluidi possono essere trattati in un’unità singola.
Scambiatori a piastre – svantaggi
La presenza delle guarnizioni limita il campo operativo di temperatura
(160°-250°C) e pressione, così come la natura dei liquidi trattabili.
Uno dei limiti maggiori è la dimensione, infatti esiste un limite tecnico
nella dimensione in cui le piastre possono essere stampate.
Questo tipo di scambiatori non sono adatti per applicazioni aria-aria o
gas-gas, per fluidi viscosi.
A causa dell’alta turbolenza raggiungibile, si può avere un’alta erosione
della superficie di scambio.
Il design non è conosciuto e ben studiato come per gli scambiatori a
fascio tubiero.
Raffreddatori ad aria
Raffreddatori ad aria
Vantaggi:
Economicità del refrigerante
Nessun limite su T in uscita
Semplicità dell’apparecchiatura
Sporcamento ridotto (non sempre)
Svantaggi: Basso cp dell’aria
=> alette
=> grandi aree
T dell’aria non controllabile
Rumorosità
Scambiatori a superficie raschiata
Sono scambiatori utilizzati per fluidi ad
alta viscosità, quando è presente una
cristallizzazione o in tutti quei casi in cui
lo sporcamento è il fattore limitante per
un corretto scambio termico. In questo
tipo di scambiatore una lama rotante
provvede alla pulizia della superficie di
scambio, la sostanza rimossa viene
accumulata nel fondo dello scambiatore
e quindi estratta.
Trovano applicazione in numerose
industrie alimentari come caramelle,
burro di noccioline, formaggi, etc.
La presenza del motore li rende
sicuramente costosi, ingombranti e
soggetti ad una maggiore manutenzione.
Scambiatori a spirale
Sono formati da due piastre
avvolte come mostrato nel disegno.
Il fluido freddo fluisce dall’esterno
verso l’interno, mentre quello
caldo dall’interno verso l’esterno
limitando
la
necessità
di
coibentazione. Vengono utilizzati
per piccole portate in sistemi
viscosi. Oltre alla disposizione a
piastre è possibile pure quella in
cui i tubi sono avvolti a spirale.
Sono scambiatori costosi a causa
della loro costruzione particolare e
hanno un intervallo di utilizzo per
la pressione e la temperatura
limitato (P fino a 15 bar; T fino a
500°C).
