15/02/2008

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TECNOLOGIE PER

L’ACQUACOLTURA

PROF. MASSIMO LAZZARI

Scuola di specializzazione in:

Allevamento, igiene, patologia delle specie

acquatiche e controllo dei prodotti derivati

Anno accademico 2007-2008

CenniCenni di Meccanica dei fluididi Meccanica dei fluidi

E’ la scienza che studia le forze che agiscono sui fluidi ed i loro effetti.

I fluidi maggiormente importanti in acquacoltura sono l’acqua e l’aria.

1. Proprietà dei fluidi1. Proprietà dei fluidi - studio delle caratteristiche fisiche dei fluidi:

- Peso specifico

- Densità

- Massa volumica

- Viscosità

- Dilatabilità

- Comprimibilità

- Tensione superficiale

- Adesione

2. Statica dei fluidi2. Statica dei fluidi - studia i fluidi fermi:

- Pressione

3. Dinamica dei fluidi3. Dinamica dei fluidi - studia i fluidi in movimento:

- Conservazione di massa ed energia

- Perdite di carico

Il peso specifico misura il peso (forza gravitazionale) contenuto nell’unità

di volume, e quindi si calcola:

dove:

ρ = densità (kg/m3)

g = accelerazione di gravità (m/s2)

La densità ρ misura la massa contenuta nell’unità di volume, quindi la

sua unità di misura è kg/m3.

PROPRIETA’ DEI FLUIDI

V

M=ρ

g⋅= ργ

kg/m3

N/m3

Densità - massa volumica

Peso specifico

E’ la misura della resistenza del fluido a scorrere (“attrito interno”).

La forza F rapportata all’unità di superficie di contatto tra due strati di

fluido A è proporzionale alla variazione di velocità dV ed inversamente

proporzionale allo spessore degli strati di fluido dx, attraverso un

coefficiente di proporzionalità che è appunto il coefficiente di viscosità

dinamica µ e si misura in N.s/m2 o Pa.s.

A

V1

V2 x

dx

dV

A

F⋅= µ sPas

m

N⋅⋅ ;

2

dVA

dxF

⋅

⋅=µ

Viscosità dinamica o assoluta

Dividendo la viscosità dinamica per la densità del fluido alla stessa

temperatura si ottiene la viscosità cinematica, come risulta dalla seguente

relazione.

La viscosità cinematica nel sistema internazionale viene misurata in cm2/s

e tale unità di misura prende il nome di Stoke (1 Stoke = 1 cm2/s).

ρ

µν =

s

m

kg

ms

ms

mkg

kg

ms

m

N

m

kg

sm

N23

22

3

2

3

2 1→⋅⋅⋅

⋅→⋅⋅→

⋅

Viscosità cinematica

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La pressione o tensione di vapore saturo è la massima pressione parziale che le

molecole di vapor acqueo eserciterebbero se l’aria fosse satura di vapore a quella

temperatura. La temperatura influenza la pressione del vapore saturo (relazione

Clausius-Clapeyron).

Ebollizione

Nell’acqua sono sempre presenti bollicine di

vapore, che in condizioni di equilibrio presentano

all’interno una pressione uguale a quella del

vapore saturo che contengono. Finché la pressione

esercitata dall’esterno (pressione atmosferica) è

maggiore, le bollicine restano “intrappolate”.

Aumentando la temperatura però aumenta la

pressione del vapore dentro la bollicina. Quando la

pressione interna eguaglia quella esterna (se la

pressione esterna è di 1 atm ciò avviene a 100°C),

le bollicine crescono di diametro, sono portate in

superficie dalla spinta di Archimede e l’acqua

comincia a “bollire”.

Per portare l’acqua all’ebollizione si può anche

diminuire la pressione esterna: ciò spiega perchè

in montagna l’acqua bolle ad una temperatura

inferiore.

Pressione di vapore saturo o tensione di vapore

La curva di Clausius-Clapeyron permette di prevedere aquale temperatura avviene l’ebollizione, nota lapressione esterna.

1013 mbar (1 atm)

Si intende per dilatabilità dei fluidi la variazione della massa volumica

(e quindi anche di peso specifico e densità) con il variare della

temperatura.

Si intende per comprimibilità dei fluidi la variazione della massa

volumica (e quindi anche di peso specifico e densità) con il variare della

pressione. La variazione della comprimibilità dell’acqua con la pressione

è praticamente trascurabile (non è così per altri fluidi).

La tensione superficiale dei fluidi è una diretta conseguenza delle forze di

coesione tra le molecole dei fluidi a contatto (es. acqua/aria). La tensione

superficiale è caratteristica dei fluidi a contatto e dipende fortemente dalla

temperatura, ma è indipendente dall’estensione della superficie di

contatto.

Dilatabilità

Comprimibilità

Tensione superficiale

L’adesione è la proprietà per cui le

molecole di un liquido a contatto con

un corpo solido aderiscono ad esso

lungo le superfici di contatto.Non

sempre tra corpo liquido e solido c’è

adesione.

Quando c’è adesione, la zona

superficiale di contatto tra liquido e

parete si presenta concava, quando non

c’è adesione (il liquido non bagna le

pareti) si presenta convessa.

Il particolare comportamento dei

liquidi nei tubi capillari (capillarità) è

una diretta conseguenza del fenomeno

dell’adesione.

Adesione (tra liquido e pareti) - Capillarità

Una formula empirica definisce l’altezza h raggiunta dall’acqua per capillarità in un

tubicino di diametro d:

h = 30/d

Proprietà fisiche dell’ACQUA - tabella riassuntiva

(6,11 mbar)4

Proprietà fisiche dell’ARIA - tabella riassuntiva

Per la proprietà fondamentale dei liquidi, nell’acqua le molecole pur

rimanendo unite tra loro a distanze costanti (coesione), hanno la

possibilità di scorrere l’una rispetto all’altra. Ne consegue che nell’acqua

le molecole tendono a scendere ai livelli più bassi, fino a disporsi in uno

strato sottilissimo, a meno che questo non sia impedito da un recipiente

che le contenga.

Da ciò si deduce che l’acqua esercita una “forza” contro le pareti del

recipiente che la contiene. Un fluido statico (quindi anche l’acqua)

produce solo forze normali (perpendicolari) ad una superficie ed in ogni

punto del fluido statico esiste una determinata pressione. La pressione in

ogni punto è misurata dalla forza agente sull’unità di superficie:

P = pressione (Pa, N/m2)

F = forze agenti sulla superficie A (N)

A = superficie (m2)

STATICA DEI FLUIDI - IDROSTATICA

A

FP =

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Se la superficie su cui agisce la forza è

infinitesimamente piccola e diventa paragonabile ad

un punto (punto 1), allora la pressione in quel punto,

così come in qualsiasi altro punto di una colonna

d’acqua statica, agisce ugualmente in tutte le

direzioni.

Se il peso specifico del liquido è γ, il fondo di un

recipiente ha area A e l’altezza del liquido nel

recipiente è h, allora la forza agente sul fondo (punto

2) sarà:

dividendo entrambi i membri per A, risulta:

e quindi:

hAF ⋅⋅= γ

Pressione statica

hP ⋅= γ

A

hA

A

F ⋅⋅=

γ

La pressione in un punto della colonna

di liquido dipende dal peso specifico

del liquido e dall’altezza della colonna

di liquido soprastante il punto.

Il principio enunciato dalla precedente

equazione determina i fenomeni evidenziati

dalla seguente figura: fori alla stessa altezza

nel recipiente determinano fuoriuscita di

liquido alla stessa distanza, mentre fori

praticati a diverse profondità determinano

fuoriuscite di liquido a distanze crescenti

verso il fondo del recipiente, a causa

dell’aumento di pressione idrostatica.

Inoltre, in tutti i punti che giaciono su

un piano orizzontale in un sistema

fluido statico, la pressione risulta

uguale.

La dinamica dei fluidi studia i fluidi in movimento. I concetti

fondamentali della dinamica dei fluidi sono di particolare interesse dal

momento che pressocché tutti i sistemi di acquacoltura sono sistemi

idraulici dinamici.

Tale principio applicato ad un sistema dinamico di acquacoltura può

essere così enunciato:

“l’acqua che entra nel sistema, l’acqua immagazzinata nel sistema e

l’acqua che fluisce dal sistema, devono essere in equilibrio”.

Ciò viene così espresso matematicamante:

se Qin = Qout → ∆vasca = 0

ovvero Qin - Qout = ∆vasca

DINAMICA DEI FLUIDI

Principio di conservazione di massa

Il principio di conservazione di massa si deve verificare anche nel caso in

cui si voglia mantenere un flusso costante di liquido in movimento entro

una tubazione.

Ain Aout

Vin Vout

FLUSSO = Velocità . Superficie = V . A

Qin = Qout

Vin. A in = Vout

. A out

Ain

Vin

Aout

Vout

La stessa relazione ovviamente

vale anche nel caso seguente:

Esempio

L’acqua entra in una tubazione del diametro di 40 cm ad una velocità di 5

cm/s. A che velocità esce dall’altra estremità di diametro 20 cm?

Soluzione:

Ain = (0,4/2)2 . 3,14 = 0,1256 m2

Aout = (0,2/2)2 . 3,14 = 0,0314 m2

Vin = 0,05 m/s

Vin. A in = Vout

. A out da cui: Vout = Vin. A in / A out

Vout = 0,05 . 0,1256 / 0,0314 = 0,2 m/s

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In ogni punto di un sistema idraulico l’energia totale comprende 3 componenti:

A) Energia potenziale dovuta alla quota rispetto ad un punto di riferimento,

B) Energia dovuta alla pressione,

C) Energia cinetica dovuta al movimento del liquido,

Principio di conservazione dell’energia

WZEPh ⋅=

WhEPp ⋅= WP

EPp ⋅=γ

2

21 VMEK ⋅= W

g

VEK ⋅=

2

2

Z quota rispetto al riferimento (m)

W peso forza del liquido (kg.m/m3.s2)

h altezza della colonna di liquido (m)

P pressione (N/m2)

γ peso specifico del liquido (N/m3)

V velocità del liquido (m/s)

M massa del liquido (kg/m3)

g accelerazione di gravità (m/s2)

(dato che P = γ . h e quindi h = P/γ)

(dato che W = M.g e quindi M = W/g)

Sommando le 3 equazioni si ottiene dunque l’energia totale di un elemento di liquido

in movimento:

Per il principio di conservazione dell’energia, l’energia totale in qualsiasi punto di un

sistema idraulico deve essere costante:

ET1 = ET2quindi:

ovvero (eliminando W):

Wg

VW

PWZET ⋅+⋅+⋅=

2

2

γ

Wg

VW

PWZW

g

VW

PWZ ⋅+⋅+⋅=⋅+⋅+⋅

22

2

222

2

111

γγ

g

VPZ

g

VPZ

22

2

222

2

111 ++=++

γγ

Quest’ultima relazione è nota come equazione di Bernoulli per i fluidi ideali fluenti

senza perdita di energia

COSTANTEg

VPZ =++

2

2

γ

Z

γ

P

g

V

2

2

i 3 termini hanno la grandezza di una lunghezza (altezza verticale)

QUOTA EFFETTIVA

altezza effettiva verticale di un punto considerato rispetto alla quota di

riferimento

QUOTA “PIEZOMETRICA” o di PRESSIONE

altezza della colonna liquida sopra il punto considerato capace di

produrre con il suo peso la pressione P

QUOTA CINETICA

altezza dalla quale dovrebbe cadere nel vuoto un grave inizialmente in

riposo per acquistare la velocità V (ovvero altezza alla quale giunge un

grave lanciato da fermo con velocità V)

h

Caso di un serbatoio a livello costante con acqua che fluisce (Teorema di Torricelli)

La velocità con cui l’acqua fluisce da un orifizio nella parete di un

recipiente dove il liquido sia mantenuto a livello costante è la stessa

velocità che avrebbe un grave in caduta libera da un altezza

corrispondente ad h.

COSTANTEg

VPZ =++

2

2

γ

g

V

2

2

ghV 2=

Esempio: calcolare la velocità di flusso del liquido in uscita da un sistema strutturato

come quello in figura.

3,3 m

1,4 m

1

2

In accordo alle precedenti equazioni,

l’energia totale nei punti 1 e 2 deve essere

uguale. Inoltre, ponendo la quota del punto

2 come quota di riferimento ed essendo i

punti 1 e 2 entrambi a pressione

atmosferica, si ha:

(3,3 + 1,4) + 0 + V12/2g = 0 + 0 + V2

2/2g

Se la vasca in questione è sufficientemente

larga rispetto al condotto di uscita del

liquido, si può assumere ininfluente la

velocità del liquido alla superficie della

vasca, quindi:

4,7 + 0 + 0 = V22/2g

da cui:

V22 = 4,7 . 2 . 9

e quindi V2 = 9,5 m/s

Nella pratica reale, i liquidi in movimento si allontanano dalle condizioni ideali e

sono soggetti a perdite energetiche dovute ad attrito lungo le condotte e alla

presenza di ostacoli localizzati lungo il percorso (curve, valvole, ecc.), nonché

possono essere presenti fonti esterne di energia (pompe).

Per questo motivo l’equazione prima enunciata dovrebbe essere completata come

segue:

Z1 + P1/γ + V12/2g + energia fornita

=

Z2 + P2/γ + V22/2g + perdite di carico

Lo studio delle perdite di carico è alla base del dimensionamento di un impianto

idraulico basato su condotte e permette anche il dimensionamento delle pompe

per la movimentazione dell’acqua.

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Esempi pratici ed applicazioni

I principi dell’idrostatica:

- Principio di Pascal,

- Principio di Archimede

- Principio dei vasi comunicanti

Principio di Pascal

La pressione esercitata da un liquido su una parete è sempre diretta

normalmente.

In un generico punto all’interno di un liquido in equilibrio la pressione è

la stessa in tutte le direzioni.

Se in un punto di un liquido in equilibrio si esercita una certa pressione,

questa si trasmette con uguale intensità in ogni altro punto del liquido ed

in ogni direzione.

Idrostatica: esempi pratici

La spinta così

calcolata si

applica nel

baricentro

La spinta così

calcolata si

applica a 1/3 h

Idrostatica: esempi pratici Applicazioni: le pareti di contenimento

Il peso proprio della parete

produce una spinta stabilizzante

che si oppone alla spinta ribaltante

determinata dall’acqua.

La resistenza meccanica della

struttura si oppone allo stato

tensionale indotto dalla spinta

dell’acqua.

PARETI A GRAVITA’

es. ARGINATURE

PARETI A

RESISTENZA

es. VASCHE

Applicazioni: argini

Spinta idrostatica

stabilizzante

Applicazioni: dighe di sbarramento

1. Parete a gravità

2. Parete a resistenza

3. Scarico spinte lateralmente

1

2

3

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La più interessante applicazione dei principi di Pascal è il torchio idraulico (alla base

del funzionamento dei martinetti idraulici oleodinamici).

A’A”

F’F”

PP

l’l”

P = F’ : A’ = F” : A” � F” = F’ . (A”/A’)

La pressione generata da F’ che spinge il pistone più piccolo sarà presente

ed uguale in ogni punto del liquido, anche sotto il pistone più grande,

dove genererà una forza F” che spingerà il pistone verso l’alto.

Lo spostamento l” sarà però molto più piccolo di l”, perché deve essere:

A’ . l’ = A” . l” � A” = A’ * (l’/l”)

Vasi comunicanti

Le superfici di un liquido in due o più vasi

comunicanti tra loro tende a disporsi su uno

stesso piano orizzontale, indipendentemente

dalla profondità dei vasi.

Sul principio dei vasi comunicanti si basa tutta

l’idrodinamica relativa al moto dei liquidi in

condotte tra serbatoi a quote diverse.

Principio di Archimede

Un corpo immerso in un liquido

riceve una spinta dal basso verso l’alto

uguale al peso del volume del liquido

spostato.

Idrodinamica: esempi pratici

Le condotte sono in moto permanante quando i serbatoi di alimentazione

e di uscita a cui sono collegate mantengono costantemente lo stesso

livello idrico.

Nelle condotte in moto permanente la portata di liquido rimane costante

in tutte le sezioni e questo di verifica anche se le sezioni delle condotte

sono diverse.

A’

V’

A”

V”Q’ = Q”

A’ . V’ = A” . V”

V” = V’ . (A’/A”)

Passando dalla sezione più stretta a quella più larga, per mantenere la

stessa portata il liquido rallenta (V” < V’).

Si ricorda ancora il

Teorema di Bernoulli:l’energia che il liquido

possiede non cambia nel

passaggio dal punto 1 al punto

2 (condotta in moto

permanente a sezione

variabile). Naturalmente deve

però essere considerata anche

l’energia spesa e dissipata per

attriti (perdite di carico).

L’energia totale è data dalla somma di:

a. Energia potenziale dovuta alla quota del liquido rispetto al piano geodetico (z1 e z2).

b. Energia dovuta alla pressione cui è sottoposto il liquido.

c. Energia cinetica dovuta al fatto che il liquido è in movimento.

Vediamo di approfondire dal punto di vista pratico i punti b. e c.

Forando una condotta forzata in un punto e ponendo un

tubicino verticale alla condotta (= tubo piezometro), l’acqua

tende a salire nel tubicino fino ad un’altezza

“piezometrica”, per effetto della pressione.

In un corso d’acqua libero, inserendo un tubicino piegato con

l’apertura controcorrente (= tubo di Pitot), il liquido tende a

salire nel tubicino fino ad un’altezza “cinetica”, per effetto

della velocità del liquido.

In una condotta forzata, inserendo un tubo di Pitot, il

liquido sale per effetto sia della pressione idrostatica che

dell’energia cinetica. Per determinare la sola altezza

cinetica, quindi, è necessario sottrarre l’altezza

piezometrica determinata nella stessa condotta con un

piezometro.

I carichi idraulici

Inserendo dei tubi di Pitot lungo le condotte come in figura, se, come nel primo caso, l’uscita

del liquido è impedita da una saracinesca chiusa, il liquido si alzerà fino alla quota geodetica

del liquido nel serbatoio di alimentazione. La linea ideale che congiunge i livelli di liquido in

questo caso prende il nome di linea dei carichi idrostatici.

Se la saracinesca della condotta è aperta e l’acqua fluisce, i tubi di Pitot misureranno altezze

inferiori, perché parte dell’energia è spesa per attriti (perdite di carico). La linea ideale che

congiunge i livelli di liquido in questo caso prende il nome di linea dei carichi effettivi e

rappresenta l’energia effettiva che è possibile “spendere” in ogni punto della condotta.

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La determinazione della linea piezometrica in un sistema idraulico è molto importante e

rappresenta un punto fondamentale per il suo calcolo e dimensionamento. In particolare, il

tragitto delle condotte non dovrà mai innalzarsi oltre la linea piezometrica, altrimenti si

avrebbero forti rallentamenti del flusso fino a ristagni del liquido.

Infine, inserendo dei piezometri lungo la condotta è possibile determinare idealmente la

linea piezometrica o linea dei carichi idraulici.

Applicazioni: idraulica delle condotte a pelo libero

In acquacoltura, il convogliamento dell’acqua in canali o condotte a pelo libero può essere

applicato nel caso di scarichi dell’allevamento o per l’alimentazione idraulica di sistemi a

“canaletta”, es. in troticoltura.

I canali di scarico dovrebbero essere dimensionati sulla base del massimo picco di flusso che

si può verificare durante lo scarico delle vasche o durante la loro pulizia. In genere il

massimo flusso risulta circa 10 volte rispetto il flusso medio del liquido nel canale.

Nel nostro caso, il sistema più semplice per dimensionare un canale a pelo libero, cioè per

calcolare la velocità del flusso e la portata, è l’applicazione della formula di Manning.

V = 1,486 . R 0,667 . S 0,5 / n

dove:

V = velocità media (m/s)

R = raggio idraulico (calcolato come nella figura successiva) (m)

S = pendenza (calcolata come nella figura successiva)

n = coefficiente di Manning:

0,0150 per canali in calcestruzzo

0,0225 per canali in terra

Calcolo del raggio idraulico (R)Calcolo della pendenza del canale

(S)

Infine per calcolare la portata:

Q = V . A

dove A è la sezione libera al flusso in m2.

Si deve tener presente che per assicurare un’efficiente auto-pulizia dei canali dovrebbero

essere garantite pendenze dell’ordine di 0,005 – 0,010 (0,5 – 1%), ma questo è spesso

difficile nelle normali situazioni acquacolturali italiane.

Applicazioni: flusso dell’acqua per gravità

In un sistema di

alimentazione dell’acqua per

gravità, controllo del flusso

significa controllo sia del

livello dell’acqua nel

serbatoio di alimentazione

che della quota del sistema di

scarico.

In figura è rappresentato un

tipico sistema idraulico con

flusso per gravità, in cui è

possibile controllare il flusso

mantenendo costante il livello

liquido nella vasca di

alimentazione e variando la

quota di scarico.

Naturalmente, questo controllo risulta efficiente solo se il salto d’acqua totale (H) è decisamente

superiore alle perdite di carico totali che si verificano lungo le condutture. Le possibilità di controllo

risultano proporzionali alla variabilità della quota di scarico (h).

Applicazioni: controllo

dei livelli idrici

In figura sono rappresentati diversi

sistemi, dal più “rigido” al più

“flessibile”, per il controllo del livello

idrico nelle vasche, basati sui principi

dell’idrostatica. Tutti questi sistemi

sono efficienti se il volume della vasca

garantisce un sufficientemente elevato

tempo di ritenzione.

(1) semplice “overflow” realizzato

direttamente nella vasca; non permette

alcuna variazione del livello idrico.

(2) e (3) tubazioni di scarico (interna

od esterna) amovibili; è possibile la

regolazione del livello modificando la

lunghezza della tubazione.

(4) scarico a sifone. Questo è il

sistema più flessibile, perché il livello

idrico può essere modificato

semplicemente variando la quota di un

piccolo serbatoio ausiliario di scarico,

senza alcuna interferenza o modifica

all’interno della vasca di allevamento.

(1)

(2)

(3)

(4)

Controllo della portata allo scarico

Il controllo della portata è generalmente effettuato regolando l’apertura di valvole nei punti di

alimentazione o scarico. Questi sistemi di regolazione sono semplici, ma efficaci solo se il sistema

idraulico presenta perdite di carico trascurabili.

La portata allo scarico in un foro circolare può essere calcolata con la seguente formula:

Q = C . (πD2/4) . (2gH)0,5

dove:Q = portata allo scarico (m3/s)

C = coefficiente adimensionale pari a 0,6 - 0,7

D = diametro del foro di scarico (m)

H = quota del foro di scarico dal livello nella vasca (m)

g = accelerazione di gravità (9,81 m/s2)

ESEMPIO: Un foro sommerso del diametro di 1 cm

scarica acqua da un serbatoio ausiliario nel quale è

possibile mantenere costante un determinato livello di

liquido. Quale sarà la portata costante di scarico se il

livello di liquido viene mantenuto a 20 cm dal foro di

scarico?

Q = 0,65 . (3,14 . 0,012/4) . (2 . 9,81 . 0,2)0,5 = 0,0001 m3/s = 0,1 l/s

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Riscaldamento o raffreddamento dell’acqua

In un sistema acquacolturale, la necessità di riscaldare o raffreddare

l’acqua è una necessità piuttosto frequente.

Nelle normali condizioni acquacolturali di temperatura e salinità, si può

assumere costante l’energia spesa per il riscaldamento dell’acqua.

La “caloria” è definita proprio come la quantità di calore (energia)

necessaria per innalzare da 4 a 5°C la temperatura di 1 g di H2O

1 cal = 4,186 J (nel Sistema Internazionale)

EsempioEsempio

Supponendo un sistema di riscaldamento con un’efficienza del 100%, per innalzare

la temperatura di 1 kg di acqua di 1°C vengono spese 1 kcal/s, quindi 4186 J/s, cioè

4186 W (dato che W = J/s).

Il presente

grafico permette

di calcolare per

diverse

efficienze del

sistema di

riscaldamento

(25 - 50 - 100%)

e per diversi

incrementi di

temperatura

dell’acqua (fino

a 25°C) i

consumi di

combustibile,

espressi come

“galloni al

giorno per

grammo di

acqua al

minuto”.

Fattori di conversione: litri = gallons/3,8

litri/secondo = gpm/0,06

Esempio:

per innalzare di

5°C la

temperatura

dell’acqua con

un sistema che

presenta

un’efficienza del

50% si

consumano 1,5

gal/day.gpm,

cioè 0,024 l di

gasolio ogni litro

di acqua

alimentato al

secondo (1,5 /

3,8 . 0,06 =

0,024).

Fattori di conversione: litri = gallons/3,8

litri/secondo = gpm/0,06

Lo scambiatore di calore è un’apparecchiatura che serve a scambiare calore tra due fluidi.

Lo scambiatore consente di trasferire una certa quantità di energia da un fluido più caldo

ad uno più freddo senza avere contatto fra i due fluidi, ovvero mantenendo sempre una

parete metallica che li separa chimicamente, e quindi ne evita il mescolamento. Questo può

essere molto utile in tutti quei processi in cui abbiamo un fluido di servizio “sporco” (ad es.

acqua scarico, olio, …) e un fluido di processo che vogliamo mantenere “pulito” (ad es.

acqua di allevamento, …).

Scambiatori di calore (generalità)

Esistono diversi tipi di scambiatore di calore. Di questi, il più semplice è lo

scambiatore tubo in tubo, costituito da un tubo esterno (carcassa esterna), in cui

scorre il fluido di servizio, al cui interno, coassialmente, vi è un tubo, in cui

scorre il fluido di processo.

La tubazione esterna non deve essere fortemente conduttrice di calore e quindi è solitamente

costituita di un metallo a bassa conducibilità termica. Il tubo interno, invece, deve condurre

con la massima facilità il calore per favorire lo scambio termico, ed è, pertanto, costituito di

rame o alluminio, cioè di materiali ad altissima conducibilità termica.

Gli scambiatori di calore possono essere:

- in equicorrente (quando i fluidi scorrono nella stessa direzione)

- in controcorrente (quando scorrono in direzioni opposte)

Dal punto di vista del calcolo si deve distinguere il calcolo energetico dal calcolo termico.

Il calcolo energetico si basa su un concetto fondamentale: tanto calore cede un fluido, tanto

ne assorbe l’altro. Il calcolo termico, invece, richiede uno studio più approfondito, poiché

richiede il calcolo dei coefficienti di convezione, delle resistenze termiche ed infine

perviene al dimensionamento delle superfici di scambio. Si vengono a distinguere, perciò,

due tipi di dimensionamento di uno scambiatore: quello energetico, piuttosto semplice, e

quello termico, più complesso.

Per quanto riguarda le caratteristiche termiche, poi, è necessario distinguere tra scambiatori

di calore in equicorrente e scambiatori di calore in controcorrente.

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Dal diagramma risulta chiaro che il ∆T è altamente variabile: il flusso termico locale è,

pertanto, fortemente variabile. All’inizio, dove c’è una differenza di temperatura esagerata,

il flusso sarà estremamente vivace e lo scambio termico molto alto, dopo, quando la

differenza di temperatura diminuisce sensibilmente, il flusso diventa piatto, le due curve

tendono a divenire due rette parallele e i fluidi scambiano poco calore.

Considerando lo scambiatorescambiatore inin

equicorrenteequicorrente (entrambi i fluidi

scorrono nella stessa direzione), si

può costruire un diagramma, in cui

in ascissa si ha la distanza x, che

arriva ad L (lunghezza dello

scambiatore), mentre in ordinata si

ha la temperatura.

Nello scambiatore in controcorrentescambiatore in controcorrente si fanno scorrere i due fluidi in direzioni opposte: il

fluido di processo (A) entra normalmente a sinistra ed esce a destra, mentre il fluido di

servizio (B) scorre da destra verso sinistra. Il diagramma della temperatura in funzione

della distanza x risulta diverso rispetto a quello appena visto per lo scambiatore in

equicorrente.

Per il fluido A, la situazione non è cambiata,

come è rispecchiato nel diagramma. La

temperatura del fluido B, invece, assume un

comportamento ben diverso: entra alla

distanza L con una temperatura TB1 ed esce

all’ascissa 0 con temperatura TB2

Si nota immediatamente un’importante differenza: mentre per lo scambiatore in

equicorrente la differenza di temperatura variava notevolmente, per lo scambiatore in

controcorrente questa differenza rimane pressoché costante in tutti i punti dello scambiatore

stesso.