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SCAMBIATORI di CALORE PowerPoint PPT Presentation


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I.T.I.S. "S. Cannizzaro ". SCAMBIATORI di CALORE. Prof. Ernesto Trinaistich. Trasmissione del calore tra due fluidi in movimento separati da una parete, scambiatori a doppio tubo -HAIRPIN-

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SCAMBIATORI di CALORE

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Presentation Transcript


Scambiatori di calore

I.T.I.S. "S. Cannizzaro"

SCAMBIATORI di CALORE

Prof. Ernesto Trinaistich


Scambiatori di calore

Trasmissione del calore tra due fluidi in movimento separati da una parete, scambiatori a doppio tubo -HAIRPIN-

Gli 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.


Scambiatori di calore

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

Tubo maggiore

Fluido 2


Scambiatori di calore

Riportando su grafico gli andamenti delle temperature nei due differenti casi si ottengono:

tcirsT°tci rs

T°tcus tfus

tcus

tfus

tfi tfi

Equicorrente 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.


Scambiatori di calore

Il Δt ml si calcola considerando le temperature di ingresso e uscita del fluido caldo e di quello freddo ( rettereds)

(tci – tfi) – (tcus–tfus)

Δtml = caso dell’equicorrente

(tci – tfi)

ln

(tcus–tfus)

(tci –tfus) – (tcus–tfi)

Δtml = caso del controcorrente

(tci –tfus)

ln

(tcus–tfi)

Si dimostra praticamente che il Δt mlcalcolato con la modalità controcorrente fornisce un valore numericamente più grande, pertanto ilcalore Q scambiato risulta maggiore.


Scambiatori di calore

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.


Scambiatori di calore

Scambiatori di caloreE

Kettle-utilizzato come vaporizzatore nelle colonne di distillazione


Scambiatori di calore

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.


Scambiatori di calore

Scambiatore a fascio tubiero

Scambiatore a testa flottante

Testa flottante

Ribollitore Kettle


Scambiatori di calore

Scambiatori


Scambiatori di calore

TIC

Fluido di processo

V

E

S

Scaricatore di

condensa

V : Vapore

Valvola servocomandata azionata dal controllo della temperatura del fluido in uscita dello scambiatore.


Scambiatori di calore

Q2

Q3

Bilancio di energia di uno scambiatore.

Con le lettereQ 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;

Q1 + Q3 = Q2 + Q4

E

Q1

Q4


Scambiatori di calore

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 )


Scambiatori di calore

Grandi scambiatori di calore


Scambiatori di calore

Fine


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