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lo scambio termico
Se la differenza fra energia entrante in un sistema e energia uscente in un sistema è diverso da 0, allora si parla di un accumulo di energia. L’accumulo è dovuto alla perdita di energia uscente dal sistema dovuta agli scambi di energia tra il sistema e l’ambiente circostante o il lavoro effettuato dal o sul sistema.
Se nel sistema avvengono reazioni chimiche, è necessario aggiungere un termine di generazione di energia.
Il calore specifico è definito come la quantità di calore necessaria ad innalzare di 1 °C l’unità di massa di una determinata sostanza.
Il trasferimento di calore ha luogo quando due corpi hanno temperature diverse fra di loro. Esso avviene secondo tre diversi meccanismi: la conduzione, la convezione e l’irraggiamento.
Consideriamo una parete solida di spessore s, n cui le due facce opposte si trovano a diversa temperatura. Il calore verrà trasmesso attraverso il movimento e quindi il continuo contatto tra una molecola e l’atra del solido. La conduzione si può verificare anche nei fluidi ammesso che essi siano in movimento. L’equazione di trasferimento con conduzione è la legge di Fourier per le pareti piane:
Q = flusso termico
ΔT = differenza di temperatura fra una faccia e l’altra
A = superficie
k = coefficiente di conduzione termica
s = spessore
La convezione
Il trasferimento è associato al trasferimento di massa. La convezione è il meccanismo di trasferimento tipico dei fluidi, grazie alla libertà di movimento, essi possono agire come vettori termici. Esistono due diverse modalità di convezione:
Consideriamo una parete solida posta a contatto con un liquido che ha temperatura più bassa di quella della parete del soido. Il liquido che in movimento, nello strato a ridosso della parete (strato limite), il liquidi si muove di moto laminare.Questo succede perché, mentre a distanza della parete gli spostamenti di massa rendono uniforme la temperatura, negli strati a diretto contatto con la parete la velocità di spostamento del liquido decresce rapidamente, quindi la temperatura varia rapidamente. In assenza di mescolamento il trasferimento avviene per conduzione. Lo strato limite è in funzione del tipo di moto del fluido.
Il coefficiente globale di scambio (UD)
Sommando le tre espressioni otteniamo un’equazione di trasferimento totale in cui si introduce un coefficiente, detto di scambio globale (UD), che è definito:
resistenza al passaggio di calore
conduzione
coefficiente di pellicola
Gli scambiatori di calore sono apparecchiatura la cui funzione è quella di realizzare il trasferimento di grandi quantità di calore tra due correnti (due fluidi) a temperature differenti. Si possono classificare le apparecchiatura di scambio termico in:
Ribollitori: quando un liquido di processo viene vaporizzato da un di servizio.Il modello più semplice di scambiatore di calore è lo scambiatore a doppio tubo. È costituito da due tubi concentrici in cui un fluido passa attraverso la sezione cilindrica (lato tubo), ed un’altro passa attraverso la sezione anulare (lato anello). La strutture è costituita da due set di tubi concentrici montati in un certo modo, chiamati hairpin. Lo svantaggio che comporta questo tipo di scambiatore è l’area di ingombro molto elevata.
Per gli scambiatori a doppio tubo sono possibili due precise modalità di scambio definite in controcorrente, quando i due flussi si muovono con versi opposti; o in equicorrente, quando i due flussi si muovono con la stessa direzione.
In equicorrente la temperatura del fluido in uscita non può mai superare la temperatura di uscita del fluido caldo (TCUS > TFUS). Maggiore sarà la superficie di scambio termico più TFUS si avvicina a TCUS.
In controcorrente si può verificare che TFUS > TCUS, perché per lo scambio in controcorrente si ha un maggior recupero termico. Il ΔT per la controcorrente on subisce grosse variazioni, per l’equicorrente varia da un massimo nella sezione di ingresso fino a un minimo nella sezione di uscita.
La differenza di temperatura non si mantiene costante lungo lo scambiatore, ma può subire variazioni, che possono essere abbastanza limitate nello scambio in controcorrente, mentre sono decisamente più sensibili nella equicorrente. Nello scambio in controcorrente il calore viene trasferito in maniera abbastanza uniforme su tutta la lunghezza dello scambiatore; nello scambio in equicorrente il trasferimento sarà massimo nella zona iniziale, per poi diminuire progressivamente man mano che il ΔT diminuisce.
L’equazione con cui si rappresenta il calore globalmente scambiato, è:
I depositi di sporco riducono il coefficiente reale di scambio, quindi lo scambiatore dopo breve tempo non potrebbe più fornire le prestazioni per cui è stato progettato. Per questo il coefficiente UD deve essere corretto con l’aggiunta dei arroti di sporcamento interno ed esterno:
Lo scambiatore a fascio tubiero è costituito da due piastre a cui sono connessi un certo numero di tubi (fascio tubiero), posti all’interno di un mantello. Con questa disposizione si riesce a compattare in poco spazio una grande superficie di scambio. In alcuni scambiatori il fluido lato tubi si ripartisce in tutti i tubi attraversandoli in una sola direzione, e il fluido lato mantello occupa tutta la sezione a sua disposizione, attraversando lo scambiatore con verso opposto rispetto al fluido lato tubi. In questa maniera si ha uno scambio in controcorrente. Pur essendo già in controcorrente il fluido è costretto, tramite dei setti posti nel suo cammino, ad un andamento non lineare, questo comporta un elevato coefficiente di trasferimento. Questo tipo di scambiatore è il 1:1.
È possibile anche migliorare il coefficiente di trasferimento del lato tubi distribuendo il fluido non su tutti i tubi, ma sulla metà del totale. In questo modo il fluido attraversa lo scambiatore una volta in un senso una volta nell’altro e la sezione di passaggio si dimezza. Di conseguenza la velocità di passaggio raddoppia e si ottengono coefficienti di trasferimento più elevati. Questo tipo di scambiatore è detto scambiatore 1:2.
Il fissaggio dei tubi alle piastre, necessario per impedire lo scorrimento dei tubi relativamente alla piastra, può essere eseguito con diverse tecniche: mandrinatura, filettatura, saldatura, o possono essere impiegate guarnizioni.
Gli scambiatori devono essere costruiti in modo da prevedere le dilatazioni differenziali. Di solito si opera mettendo un compensatore di dilatazione in posizione intermedia. Altre soluzioni sono quelle dei scambiatori a testa libera, in cui una delle due piastre è flangiata al mantello, mentre l’altra è libera di translare sotto l’effetto della dilatazione; o dello scambiatore a testa flottante, in cui la piastra libera è assolutamente isolata dal mantello per mezzo di una calotta interna ad esclusivo uso dei tubi.
Il ribollitore Kettle viene utilizzato per vaporizzare una corrente liquida nelle colonne di distillazione. Lo spazio lato mantello è solo parzialmente riempito di liquido, perché il vapore che si deve sviluppare deve avere il tempo di lasciare ricadere eventuali trascinamenti di liquidi.
Lo scambiatore a tubi ad U, è costituito da tubi connessi ad una sola piastra e ripiegati ad U, i quali sono totalmente isolati dal resto dello scambiatore. La disposizione dei tubi e dei setti sono fattori che influenzano la turbolenza del fluido mantello e quindi anche il coefficiente di pellicola, che è influenzato anche dalla disposizione dei tubi, la quale deve consentire la maggior turbolenza. Per limitare le perdite di carico bisogna disporre ingressi e uscite dei due fluidi, in maniera da porre la sezione più fredda del fluido in basso rispetto a quella calda.
I condensatori sono apparecchiature usate per condensare un vapore tramite acqua refrigerante di servizio. Invertendo i flusso del fluido refrigerante le differenze di temperatura estreme rimangono identiche. La condensazione può avvenire in due modi:
C. a goccia: la cond. avviene sulla superficie di scambio termico, qui il condensato formatosi abbandona la superficie via via che si va formando lasciando, quindi la superficie di scambio è sempre disponibile.I condensatori possono essere a tubi orizzontali o verticali. In quelli verticali lo spessore del film aumenta sempre più verso il basso, dando luogo nella parte inferiore a maggiori resistenze al trasferimento.
Il problema della dispersione del calore è molto sentito nelle industrie, a causa della perdita economica a cui è strettamente associato. Perciò, le apparecchiature di scambio termico vanno coibentate tramite l’utilizzazione di materiali isolanti. I materiali isolanti devono avere determinate caratteristiche:
Bassissima conducibilità termica e basso calore specifico.I materiali isolanti possono essere prodotti in lastre da porre nelle intercapedini nelle apparecchiature da isolare. In generale la resistenza conduttiva aumenta all’aumentare dello spessore di isolante, ma può succedere anche il contrario (quando il diametro è piccolo). Per diametri superiori la resistenza comincia a crescere e contemporaneamente diminuiscono le perdite di calore. All’aumentare dello spessore di isolante diminuisce la quantità di calore disperso, ma aumenteranno i costi relativi all’installazione dell’isolante. La soluzione ottimale si trova analizzando l’andamento dei costi in funzione dello spessore isolante.
Fonte: http://members.xoom.virgilio.it/alberto_chim/lo%20scambio%20termico.doc
Sito web da visitare: http://members.xoom.virgilio.it/alberto_chim
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