Scambiatori di Calore (Heat Exchangers) PDF

page52image100257232 SCAMBIATORI DI CALORE (heat exchangers) Gli scambiatori di calore permettono di trasferire calore da un fluido più caldo ad uno più freddo. La macchina presenta dei setti (detti *baffle)* che permettono al fluido di seguire un certo percorso ed i tubi all'interno di cui flui...

page52image100257232 SCAMBIATORI DI CALORE (heat exchangers) Gli scambiatori di calore permettono di trasferire calore da un fluido più caldo ad uno più freddo. La macchina presenta dei setti (detti *baffle)* che permettono al fluido di seguire un certo percorso ed i tubi all'interno di cui fluiscono i fluidi sono detti *shell e tube* e seguono percorsi opposti*.* A seconda di come sono posizionati i tubi, la loro direzione, cambia la fluidodinamica. L'aria in genere rispetto all'acqua scambia meno calore. Gli scambiatori possono essere classificati sulla base di diversi criteri e perciò esistono molte tipologie. Possono essere classificati in particolare secondo:\ 1) geometria;\ 2) compattezza della superficie; 3\) processo di trasferimento del calore;\ 4) disposizione dei tubi;\ 5) tipo di processo termodinamico coinvolto. page52image100259520page52image100260144page52image100261808page52image100262224page52image100262640page52image100263056page52image100263472 page53image30350448 In base alla modalità di contatto tra le due correnti, gli scambiatori di calore possono essere: 1\) a contatto diretto: se le interfacce dei fluidi che scambiano calore sono direttamente a contatto tra loro; le due correnti si scambiano calore e materia, ovvero non sono separate da pareti; questa possibilità si presenta nel caso di due fluidi immiscibili; alcuni esempi sono la torre di raffreddamento e lo scambiatore a fiamma sommersa; 2)a miscela: gli scambiatori a miscela operano una semplice miscelazione dei fluidi, che di conseguenza si portano alla stessa temperatura. Un esempio notevole è il degasatore termico dell\'acqua di alimento di una caldaia a vapore, in cui viene iniettato vapore d\'acqua allo scopo di creare le condizioni per una parziale evaporazione, con i cui vapori vengono anche estratti i gas indesiderati (soprattutto l\'ossigeno); 3)a contatto indiretto: se i fluidi non vengono a diretto contatto tra loro; questa possibilità si presenta ad esempio nel caso degli scambiatori a superficie, in cui i due fluidi sono separati da una superficie che è attraversata dal flusso termico.\ 4)a superficie: è la classe a cui appartengono gli scambiatori più comunemente utilizzati. Le correnti assorbono il calore dalle superfici con cui sono separate. Queste superfici possono essere provvisti di alettature al fine di agevolare ulteriormente lo scambio termico. In uno scambiatore a superficie si riconoscono due compartimenti o lati, al cui interno scorrono i fluidi. In virtù del primo principio della termodinamica, i corpi devono essere a temperature diverse perché vi sia trasferimento di energia termica da uno all\'altro di questi compartimenti, per cui si definiscono un lato caldo (dove scorre il fluido avente temperatura maggiore, da raffreddare) ed un lato freddo (dove scorre il fluido avente temperatura minore, da riscaldare). Questi lati hanno caratteristiche costruttive diverse a seconda del tipo di scambiatore.\ 5)a irraggiamento diretto: il calore viene fornito sotto forma di energia radiante (pannelli solari, saline marine). page53image30351904page53image30353152page53image30346704page53image30348784page53image30348160page53image30347744page53image12982624page53image30347120 page54image100332960 Classificazione per profilo termico  La maggior parte dei processi di scambio termico non sono isotermici, avvengono cioè a temperatura variabile. In altri termini, un corpo entra a bassa temperatura e si riscalda; l\'altro entra ad alta temperatura e si raffredda. Nei casi più semplici, lo scambio termico tra i due fluidi può avvenire principalmente in tre modi: 1)scambio in equicorrente: i fluidi si muovono in percorsi tra loro paralleli e lungo lo stesso verso;\ 2)scambio in controcorrente: i fluidi si muovono in percorsi tra loro paralleli ma in versi opposti; 3)scambio a correnti incrociate: i fluidi si muovono in percorsi tra loro ortogonali.\ Solo nel caso di scambio in controcorrente la temperatura di uscita del fluido freddo può essere superiore a quella di uscita del fluido caldo. Nel caso di scambio in equicorrente le temperature dei due fluidi si avvicinano tra loro durante l\'attraversamento dello scambiatore e in linea teorica possono raggiungere lo stesso valore (pari alla temperatura di equilibrio dei due fluidi) se la superficie di scambio ha un\'area infinita: questa è ovviamente una condizione limite, non raggiungibile nella pratica. page54image100333376page54image100333792page54image100334208 page55image100403440 Classificazione degli scambiatori a superficie per modello costruttivo\ A seconda della geometria dello scambiatore, si possono definire (citando solo i casi principali): A\) scambiatori tubulari\ 1)scambiatore a doppio tubo (o \"a tubi concentrici\"): i fluidi scorrono in due tubi coassiali, uno interno (tube o tubo) e uno esterno (annulus o camicia); è l\'unica configurazione che permette di realizzare un profilo termico in equicorrente o controcorrente perfetti; 2)scambiatore a fascio tubiero e mantello: uno dei fluidi passa all\'interno di tubi (solitamente a sezione circolare) e l\'altro all\'esterno dei tubi stessi, in una camera (mantello) appositamente realizzata;\ 3)scambiatore a trombone\ 4)scambiatore a superficie raschiata: i tubi di questi scambiatori presentano al loro interno delle lame rotanti che raschiano la superficie interna del tubo; 5)scambiatore a superficie immersa. B)scambiatori a piatti 1)scambiatore a piastre 2)scambiatore a spirale C)scambiatori a superficie estesa\ 1)tubi alettati\ 2)scambiatore aerorefrigerante: il fluido da raffreddare passa attraverso dei tubi (generalmente alettati) che sono raffreddati attraverso dei ventilatori che raccolgono l\'aria circostante e la direzionano sui tubi;\ 3)scambiatore a lamella: è costituito da lamiere grecate saldate tra loro, che costituiscono la superficie di scambio termico; page55image100404064page55image100404480page55image100404896page55image100405312page55image100405728page55image100406144page55image100406560page55image100406976 page56image100477504 Lo scambiatore di calore Ljungström è uno scambiatore di calore di tipo rigenerativo. Il dispositivo è costituito da un cilindro rotante, da cui passano i fluidi che devono scambiarsi il calore; al suo interno sono ricavati dei setti grazie a dei lamierini ondulati. Attraverso ciascun settore passano i due fluidi in tempi successivi, per cui un inconveniente degli scambiatori Ljungström è costituito dalla parziale miscelazione tra i due fluidi. Viene usualmente impiegato all\'interno delle grandi centrali a vapore per la produzione di energia elettrica. Una torre di raffreddamento è uno scambiatore di calore gas-liquido nel quale la fase liquida cede energia alla fase gassosa, riducendo così la propria temperatura. Nella grande maggioranza dei casi la fase gassosa è costituita da aria o vapore d\'acqua e la fase liquida da acqua di vario tipo. page56image100477920page56image100478336 page57image14267296 Equazioni di conservazione della massa inimicizie» \- page57image100556720 Nella maggior parte dei casi di contatti indiretti, i flussi rimangono separati da una superficie impermeabile e ciò implica che: m iniere Equazioni di conservazione di energia !! / -7 page57image14267968 Èm \" = È.in\#oiioss7 Il calore perso è in genere di 2/3 ordini di grandezza più piccolo del calore totale scambiato, quindi in prima FIEIÈÈO approssimazione è trascurabile page57image100555680page57image100555264 Nella maggior parte di scambiatori a due flussi si ha: 7 ù(hμi-ÙHo)=Ùc(hcddo-hcdd, Gli scambiatori da un punto di vista costruttivo possono essere suddivisi in: 1) CONTROCORRENTE\ 2) EQUICORRENTE page57image100554640 1) 2) page57image100562960 Per valutare lo scambio termico utilizziamo il DIAGRAMMA T-Q dove con Q intendiamo la potenza termica scambiata. Il coefficiente angolare dipende dalla CAPACITÀ TERMICA (ovvero la quantità di calore necessario per innalzare di 1K o di 1oC la temperatura di un corpo). Tn \- \*÷à÷:È a page57image100563792 a Ad ( = incp  Se la C è costante, allora le curve diventano delle rette: è ciò che possiamo osservare negli scambiatori di calore all'interno dei diagrammi avremo infatti che: μ- ΔTml è detto ΔT MEDIO LOGARITMICO (in inglese LMTD): In prima approssimazione è una media logaritmica della differenza di temperatura del ramo più caldo e del ramo più freddo: rappresenta una temperatura media nello scambiatore. Maggiore è ΔTml, maggiore è lo scambio se v.Tinte sono costanti La configurazione controcorrente è più vantaggiosa (come possiamo notarlo dai diagrammi). Il fluido caldo in uscita infatti lo abbiamo in corrispondenza dell'ingresso del fluido freddo e ciò indica che abbiamo più margine su cui intervenire. Se invece consideriamo quello equicorrente, notiamo che abbiamo meno margine per allungare lo scambiatore (ad un certo punto le due linee del ramo caldo e freddo si incontrano e non c'è più scambio). La quantità di calore scambiato dal fluido caldo (che quindi cede calore) a quello freddo (che quindi assorbe calore) possiamo valutarla come: \' page58image100552768  *I CICLI A VAPORE* calore dato dalla caldaia F a iμ \~ F- pompa @ Ciclo Rankin saturo (e- il ciclo ideale ) \^ caldaia :\* turbina \' condensatore , come È stato il primo ciclo utilizzato per produrre energia perché ha due vantaggi:\ 1) è un ciclo a combustione esterna (possiamo usare qualsiasi combustibile, anche il carbone che costa poco);\ 2) funziona bene perché il lavoro richiesto dalla compressione è eseguito su un liquido ed è molto inferiore rispetto a quello richiesto dall'espansione dei gas (anche nel caso di bassi rendimenti). Per migliorare questa configurazione possiamo agire in due modi: renderlo più simile al ciclo di Carnot (tratteggio arancio) lavorando sul tratto di introduzione del calore a temperatura variabile ed eliminarlo poi (per farlo si spilla vapore dall'interno con la turbina, evitando di introdurre calore dall'esterno, e lo cediamo al fluido attraverso degli scambiatori (detti rigeneratori) connessi alla caldaia); un altro modo per migliorarlo è: nel ciclo saturo fin dall'inizio dell'espansione (da 3 a 4) iniziamo ad avere bifase, tuttavia la turbina lavora bene con basse quantità di liquido e per evitare di averne troppo, si surriscalda in modo da ottenere solo vapore (ci troviamo fuori dalla campana). Il ciclo Rankine reale é quindi un ciclo Rankine surriscaldato e rigenerativo. e Nel ciclo reale si hanno anche dei risurriscaldamenti RH1 ed RH2 prima di terminare l'espansione. \-- È sempre presente anche un DEGASATORE che ha la funzione di liberare vapore da eventuali gas disciolti nel condensatore che essendo in condizioni di pressione inferiore a quella atmosferica, tendono ad assorbire aria dall'esterno (in particolare si tende ad eliminare O2 perché causa corrosione).\ Tutti i cicli a vapore presentano inoltre una zona di trattamento dei fumi dovuti all'utilizzo di combustibili fossili (in particolare il carbone). Si fanno quindi passare più volte in questa zona di trattamento per eliminare le sostanze nocive e recuperare calore. Per avere un rendimento maggiore dobbiamo raggiungere T e p maggiori: abbiamo però un limite massimo dovuto al fatto che, essendo un ciclo a combustione esterna, è necessario trasferire il calore da un fluido più caldo ad uno più freddo attraverso uno scambiatore. Questo è però in metallo e pertanto ha dei limiti di resistenza in termini di temperatura e pressione. Di solito si usano temperature intorno ai 600°-700°C (potremmo arrivare anche oltre, ma non converrebbe da un punto di vista economico). Per migliorare questa problematica è possibile utilizzare materiali diversi e più resistenti. \" ÷:÷÷÷ , A differenza del ciclo a combustione interna, in questo è possibile raffreddare. page65image96766400 Un altro modo per migliorare il rendimento dell'impianto è diminuire la Tmin (ad esempio con delle torri evaporative). Il problema della turbina è che l'espansione in rosso determina una elevata variazione di v page65image96769104 specifico, il quale è proporzionale alla portata volumetrica: in -17 dove ✓ perche - espande T  Viva e se Quando espande molto, devo aumentare di molto A: nella zona di bassa pressione LP ho una portata volumetrica molto elevata quindi le pale della turbina sono molto grandi. Talvolta la portata è così elevata che è necessario sdoppiare i flussi, usando due turbine in parallelo perché altrimenti servirebbe una turbina troppo grande. La turbina è costituita da vari stadi con ruote di dimensioni via via più grandi, man mano che avviene l'espansione. Anche la caldaia è molto grande. Se non ho acqua a disposizione, non posso utilizzare il condensatore e fascio tubiero, ma posso usarlo ad aria perché ho dimensioni maggiori (l'aria scambia peggio dell'acqua e quindi richiede un'area di scambio maggiore). Possiamo usare la TORRE EVAPORATIVA (serve per condensare acqua in un ciclo a vapore). Dal condensatore é prelevata acqua che si è scaldata e raffreddata con aria ed inoltre abbiamo un trasferimento di gocce d'acqua verso l'aria (dovuto all'umidificazione dell'aria stessa che non è satura in vapore). L'aria in questo modo si satura. Il meccanismo permette che l'acqua evapori ed evaporando rilascia calore latente e si raffredda ancora di più: è molto efficace perché si raffredda non solo scambiando calore con l'aria, ma rilasciando anche calore latente di evaporazione. page65image96768480page65image96771184page65image96771600page65image96772016page65image96772432page65image96772848page65image96773264page65image96773680 m etalliNE\ 1) POMPA = prende i l liquido saturo dal condensatore e lo manda i n caldaia : m in im e page66image96963840 La trascurabile rispetto a quella erogata dalla turbina. assorbita con il è sit ma aumento di\ variazioni di h , , pressione. potenza pompaggio page66image96963424 2\) CALDAIA (o generatore di vapore)= è u n o scambio di calore tra fumi di combustione ed il liquido saturo che aumenta la T fino ad evaporare ed a trasformarsi in vapore page66image96963008 saturo\ in essa il vapore espande fino alla pressione minima del condensatore con aumento di V Dalla turbina i n saturo c o n titolo molto alto : genere fuoriesce v a p o r e page66image96962592 3)TURBINA= e diminuzionediT.. page66image96962176 1\) per evitare usura delle palette negli ultimi stadi e 2) garantire elevato q (y è tanto più basso è il , quanto maggiore a ? liquido presente fine espansione condensa vapore saturo i n uscita 4\) CONDENSATORE= è u n o scambiatore d i calore che dalla turbina sedendo page66image96961760 calore ad u n pozzo termico :\ Il liquido saturo invece entra nella pompa, facendo ricominciare il siclo. In realtà il ciclo fantine è surriscaldato e RIGENERATIVO : lago, fiume, atmosfera. page66image96961344 RIGENERAZIONE = utilizzo del calore ancora contenuto nel fluido di scarico, in u n processo come vapore e gas combuste. nel ciclo u n a parte del vapore in turbina è spillato e usato per ciclo page66image96960928 preriscaldare i l liquido i n ingresso a lla caldaia ( la rigenerazione è tanto più efficiente quantopiùaltaè la fie la Tdel vapore). migliorail. page66image96970704 SURRISCALDAMENTO = la turbina h a 4 elevato s e ha bassa quantità d i liquido i n turbina : c o n page66image96971120 surriscaldamento abbiamo tutto vapore (e n o n più bifase, sono fuori dalla  campana) e quindi ptialina elevato. page66image96971536 page67image97005136page67image97005552page67image97005968 1 ORA E page68image96965088page68image96964256 Il preriscaldatore aria Ljungstrom è utilizzato per recuperare del calore dalla zona di trattamento dei fumi. page68image96769936 page68image96765984