Scambio Termico

Si ha trasmissione di calore, all’interno dello stesso corpo o fra duecorpi differenti posti in contatto, quando sussiste una differenza ditemperatura. Esistono tre meccanismi di scambio termico:

• Conduzione: il calore si trasmette senza che si abbia un movimentomacroscopico di materia, avviene nei solidi e nei fluidi in quiete.• Convezione: avviene attraverso il moto di vari elementi costituenti lamateria, può essere naturale se il movimento è spontaneo oppureforzata se il movimento è indotto.• Irraggiamento: in questo caso il calore si trasmette in maniera similealla propagazione delle onde elettromagnetiche, il trasferimento puòavvenire anche nel vuoto (radiazione solare).

Nella maggior parte dei processi industriali il calore viene trasmessoper convezione dove due fluidi vengono posti in contatto attraversouna superficie di scambio.

Meccanismi di trasferimento: Conduzione

Nella conduzione il calore viene trasmesso attraverso il movimento dimolecole adiacenti, può avvenire fra solidi liquidi e gas. Nei gas iltrasferimento avviene dalle molecole “più calde” a cui è associato unmaggiore movimento e livello energetico a quelle “più fredde” a più bassolivello energetico. Questo tipo di trasferimento avviene in tutti i solidi,liquidi e gas in cui esiste un gradiente di temperatura. Nella conduzionel’energia può essere inoltre trasferita attraverso gli elettroni “liberi”,questo fenomeno è rilevante nei solidi metallici. Esempi di conduzionesono: trasferimento di calore attraverso le pareti di uno scambiatore dicalore o di un refrigeratore, etc.

Legge di Fourier per la conduzione in fluidi o solidi:

qx

A= −k

dT

dx

qx è il calore trasferito nella direzione x (W),A è la sezione normale alla direzione delflusso 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 caloreattraverso una lastra piana di sezione econducibilità termica costante paririspettivamente a A e k, l’equazione diFourier può essere scritta come:

q

A= k

x2 − x1

T1 − T2( )= k

∆xT1 − T2( )

Ossia la temperatura varia linearmente con la distanza

∆∆∆∆x

q

T1

T2

Distanza (m)

T1

T2

∆x

Meccanismi di trasferimento: Conduzione

Out = qx|x+∆xIn = qx|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 chenella direzione del flusso di calore la temperatura diminuisce.

Conduzione attraverso solidi in serie

∆∆∆∆xC

q

T1

T4

A B C

∆∆∆∆xB∆∆∆∆xA

T2T3

Considerando una paretecostituita da differentimateriali il calore trasferitoda uno strato all’altro ècostante in quanto non c’èaccumulo o generazione dicalore quindi si può scriverel’equazione di Fourier nellaforma:

q = kA A

∆xA

T1 − T2( )= kB A

∆xB

T2 − T3( )= kC A

∆xC

T3 − T4( )

Esplicitando le singole forze motrici e sommandole membro a membro si ottiene:

Conduzione attraverso solidi in serie

T1 − T2( )= q∆xA

kA A ; T2 − T3( )= q

∆xB

kB A ; T3 − T4( )= q

∆xC

kC A

T1 − T4( )= q∆xA

kA A+q

∆xB

kB A+q

∆xC

kC A= q

∆xA

kA A+ ∆xB

kB A+ ∆xC

kC A

q =T1 − T4( )

∆x A

kA A+ ∆x B

kB A+ ∆xC

kC A

=T1 − T4( )

RA + RB + RC

Meccanismi di trasferimento: Convezione

Nella convezione si ha un mescolamento macroscopico di elementi fluidipiù caldi con elementi più freddi. Solitamente è un meccanismo correlatoallo 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 vienecostretto a fluire su una superficie solida da una pompa, un ventilatore oun generico apparecchio meccanico e quella naturale in cui gli elementi difluido caldi e freddi si muovono in relazione alla loro differenza di densità.Esempi di convezione sono il raffreddamento del radiatore della macchinaattraverso la ventola, il raffreddamento del caffè quando soffiamo sulla suasuperficie etc.

Legge di Fourier per la convezione in fluidi:

Tw è la temperatura della parete solida mentreTf è la temperatura di bulk ossia del fluidoindisturbato, h è il coefficiente di trasferimentoconvettivo (W/m2 K).

q = h A (Tw-Tf)

Meccanismi di trasferimento: Convezione

Il coefficiente h dipende dalla geometria del sistema, dalle proprietà delfluido, dalla velocità del fluido e dalla differenza di temperatura. Moltospesso la valutazione di questo coefficiente avviene attraverso relazioniempiriche.

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 scambiotermico sono chiamate scambiatori di calore e possono essereclassificati sia in funzione del servizio che svolgono, sia in base alla loroforma 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, asuperficie raschiata.

La scelta e la progettazione delle apparecchiature si scambio termicoviene eseguita in modo tale che l’apparecchio assicuri non solo ilservizio richiesto, ma soddisfi anche altri requisiti come la resistenzameccanica e chimica, le limitazioni di caduta di pressione, le esigenze diingombro e in genere la corrispondenza fra la soluzione ottimale dalpunto di vista economico che garantisca la sicurezza dell’impianto.

Scambiatori a camicia

Sono ottenuti mediante saldatura diuna camicia piana o curva. Le maggioriapplicazioni si hanno su apparecchi consuperfici lisce e di facile pulizia(reattori, cristallizzatori) e spessodotati di un sistema di agitazione.Inconvenienti maggiori si hanno nellapulizia del sistema di scambio termico,nelle operazioni di saldatura dei tubialla parete che per superfici conspessori ridotti possono causaredeformazioni.

Scambiatori a tubi singoli concentrici

E’ il più semplice dispositivo discambio termico, è costituito da 2tubi concentrici in cui passano 2 fluidia temperature diverse. La lorosuperficie è costituita rispettivamenteper il tubo più interno da una paretedi metallo termoconvettore mentreper quello più esterno da unmateriale termoisolante. Questo tipodi meccanismo è molto usatonell'industria alimentare in quanto iltubo interno si mantiene intatto dalleincrostazioni ottenendo così unottimo livello di igiene. L'assenza dellestesse è dovuta al fatto che il tubo ècompletamente accessibile efacilmente 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 doppiotubo semplice e sono ottenuticonnettendo mediante dei tubiad U i i tubi interni e medianteconnessioni a T quelli esterni.Sono sicuramente di sempliceassemblaggio ma la superficie discambio realizzabile è alquantolimitata (20-30 m2) diversamentel’ingombro dell’apparecchiaturarisulterebbe proibitivo.Nel caso in cui il tubo esternosia saldato a quello interno lapulizia meccanica non èrealizzabile per cui è normainviare in esso il fluido menosporcante in modo da ridurre lafrequenza dei lavaggi chimici.

Scambiatori a fascio tubiero

Sono formati da un insieme di tubi (fascio) ancorati alle estremità su duepiastre tubiere e contenuti in un unico tubo esterno di grandi dimensionichiamato “involucro” o mantello. Due coperchi a fondo piano o bombatochiudono 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 discambiatore con i tubi fissatialle piastre che, a loro voltasono fissate al mantello. Ilblocco non risulta smontabile,la pulizia pertanto può esserefatta con spazzole rotantiall’interno dei tubi e attraversochemicals al loro esterno.

Scambiatori a testa flottante

Sono caratterizzati dall’avere solo una testata fissata al mantello, l’altra èlibera di muoversi e dilatarsi liberamente. Il fascio tubiero può esseresfilato completamente dal mantello aprendo lo scambiatore dal lato dellatesta fissa. Rispetto agli scambiatori a testa fissa, quelli a testa flottantehanno 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 cheentrambe le estremità dello stesso tubo confluiscano verso l’unicapiastra tubiera ancorata per mezzo di una flangia al mantello. Il fasciotubiero è libero di scorrere per cui non si creano tensioni dovute alledilatazioni termiche, inoltre la possibilità di sfilare completamente ilfascio permette una facile pulizia del mantello. La presenza della curvainvece consente una difficile manutenzione all’interno dei tubi, perquesto devono essere preferiti fluidi poco sporcanti.

Fissaggio Tubi – Piastra Tubiera

Durante l’esercizio dello scambiatore le piastre tubiere sono sollecitatedalla pressione del fluido lato tubi e di quello lato mantello, questocomporta la possibilità di trafilamenti e quindi scambi di materia fra ifluidi.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 incui il tubo e la piastra vengono uniti.

Fissaggio Tubi – Piastra Tubiera

Fissaggio Tubi – Piastra Tubiera Rivettazione

All’interno del foro praticato sullapiastra vengono fatte delle scanalaturee si infila il tubo. Attraverso unarivettatrice (mandrino) si forza il tuboall’interno delle scanalature assicurandocosì il fissaggio. E’ un metodo moltosemplice da realizzarsi, ma presenta losvantaggi come una tenuta difficoltosa ela possibilità che la deformazione delmateriale dei tubi costituisca un puntodi maggiore attacco per corrosione.Inoltre una sensibile differenza ditemperatura fra tubi e mantelloprovoca delle differenti dilatazionitermiche per cui i tubi sono sollecitatiad uscire dalle loro sedi.

Per evitare lo sfilamentodi tubi vengono costruitepiastre più spesse inmodo da aumentare lasuperficie di contatto frapiastra e tubo.

Fissaggio Tubi – Piastra Tubiera Saldatura

I tubi vengono disposti nei fori e vengonosaldati in corrispondenza della loro estremitàsuperiore. Il metodo è costoso e impone deilimiti nella massima vicinanza dei tubi infattioccorre uno spazio sufficiente all’operatore cheesegue la saldatura. La tenuta viene verificataattraverso radiografie.

Vengono accoppiate due piastre ad una certa distanza tra loro, lo spaziointermedio serve come sfogo per il fluido che dovesse trafilare dallapiastra prossima all’uscita del tubo.E’ un metodo molto costoso utilizzato solo quando il contatto fra i duefluidi può causare esplosioni.

Fissaggio Tubi – Piastra Tubiera Piastre ventilate

Giunto di dilatazione

Al fine di ridurre gli stress meccanici dovuti alle espansioni termichedifferenziali fra mantello e tubi vengono montati sul mantello dei giuntiflessibili in grado di assorbire le variazioni dimensionali.

I compensatori di dilatazione assiale agiscono solo nella direzione delproprio asse. Poiché essi possono assorbire dilatazioni di modesta entità,trovano applicazione specialmente in tratti di tubo o collegamenti diapparecchiature che siano di breve lunghezza e perfettamente rettilinei.

Diaframmi (baffles)

I diaframmi o setti vengono posti nelmantello per dirigere il flusso attraverso itubi e allo stesso tempo aumentare lavelocità lato mantello e quindiincrementare lo scambio termico. Nelcaso di scambiatori orizzontali hanno unafunzione di sostegno per il fascio tubiero edi riduzione delle vibrazioni.

Diaframmi - orifizio

Sono costituiti da un disco circolare forato per il passaggio dei tubi. Ildiametro dei fori è 2-3 mm maggiore rispetto a quello dei tubi in questomodo il fluido lato mantello scorre nella sezione anulare compresa fra iltubo e il setto. Questa tipologia non è molto utilizzata a causa delle alteperdite di carico, del possibile danneggiamento dei tubi in corrispondenzadei fori e della difficoltà di pulizia.

Disco e corona

Il disco e la corona vengono ottenuti dalla stessa piastra circolare edisposti in modo alternato lungo il fascio tubiero. La differenza fra ildiametro dei fori della piastra e quella dei tubi è molto piccola (circa 0.8mm). Non sono molto utilizzati a causa dello sporcamento e delladifficoltà nella loro manutenzione.

Diaframmi tagliati

E’ la tipologia più utilizzata e sono ottenuti da una piastra circolare allaquale viene eliminato uno o più segmenti. L’entità del segmento mancanteviene individuata come percentuale del diametro o dell’area trasversaledel mantello. Il taglio del segmento produce una “finestra” fra mantello e ilsetto. L’area delle finestre determina la velocità del fluido in direzioneparallela, mentre la distanza fra due setti consecutivi determina la velocitàdel 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 sonocomposti da una serie di piastre dove ifluidi scorrono in controcorrente, in canalialternati.Le piastre sono provviste di guarnizioniche impediscono la fuoriuscita dei fluidiall’esterno ed inoltre, fanno in modo chei 2 fluidi non si mescolino mai. Per la loroparticolare conformazione, gli scambiatoria piastre presentano dei coefficienti discambio molto elevati. Presentano ilnotevole vantaggio di poter addizionare orimuovere piastre per modificare lasuperficie di scambio. Per la tipologiacostruttiva, il loro utilizzo è comunquelimitato dalla pressione e temperatura diesercizio (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 enella parte inferiore che indirizza il flusso del fluido lungo tutta la lunghezzadella piastra, sia in parallelo che in diagonale.

Perdite e malfunzionamenti sono facilmente riconoscibili dall’esterno.

Flessibilità nel design raggiungibile con la numerosa varietà di piastredisponibili.

Area di scambio facilmente accessibile e modificabile secondo le esigenzeimpiantistiche.

Alta efficienza di trasferimento termico a causa dell’alta turbolenzaraggiungibile in entrambi i fluidi.

Dimensioni ridotte e basso peso, una superficie di scambio di 2500 m2 èrealizzabile in una singola unità (minore ingombro, fondazioni ridotte).

Non necessitano di isolamento termico.

Minore sporcamento a causa dell’alta turbolenza e del basso tempo dipermanenza dei fluidi nell’apparecchiatura.

Più di due fluidi possono essere trattati in un’unità singola.

Scambiatori a piastre – vantaggi

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 tecniconella dimensione in cui le piastre possono essere stampate.

Questo tipo di scambiatori non sono adatti per applicazioni aria-aria ogas-gas, per fluidi viscosi.

A causa dell’alta turbolenza raggiungibile, si può avere un’alta erosionedella superficie di scambio.

Il design non è conosciuto e ben studiato come per gli scambiatori afascio 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 adalta viscosità, quando è presente unacristallizzazione o in tutti quei casi in cuilo sporcamento è il fattore limitante perun corretto scambio termico. In questotipo di scambiatore una lama rotanteprovvede alla pulizia della superficie discambio, la sostanza rimossa vieneaccumulata nel fondo dello scambiatoree quindi estratta.Trovano applicazione in numeroseindustrie alimentari come caramelle,burro di noccioline, formaggi, etc.La presenza del motore li rendesicuramente costosi, ingombranti esoggetti ad una maggiore manutenzione.

Scambiatori a spirale

Sono formati da due piastreavvolte come mostrato nel disegno.Il fluido freddo fluisce dall’esternoverso l’interno, mentre quellocaldo dall’interno verso l’esternolimitando la necessità dicoibentazione. Vengono utilizzatiper piccole portate in sistemiviscosi. Oltre alla disposizione apiastre è possibile pure quella incui i tubi sono avvolti a spirale.Sono scambiatori costosi a causadella loro costruzione particolare ehanno un intervallo di utilizzo perla pressione e la temperaturalimitato (P fino a 15 bar; T fino a500°C).