APPARECCHIATURE PER LO SCAMBIO DI CALORE

SCAMBIATORI A DOPPIO TUBOTIPO HAIRPIN

Una camicia offre una superficie di scambio più limitata rispetto agli altri dispositivi, dato che essa è al massimo pari alla superficie esterna della parte di recipiente bagnata dal liquido. Poiché la camicia non è in contatto con il liquido nel recipiente, si può però utilizzare un materiale più economico anche in caso di liquido incrostante o corrosivo. I coefficienti globali di scambio per recipienti agitati muniti di camicia variano tipicamente tra 200 e 700 W/m2°C. Scambiatore di calore esterno L’utilizzo di uno scambiatore di calore esterno richiede che il liquido sia prelevato dal recipiente mediante una pompa, fatto passare nello scambiatore e ricircolato al recipiente. Con gli scambiatori di calore esterni il coefficiente di scambio del calore è generalmente alto e non esistono limiti sulla superficie di scambio, ma aumentano i costi (scambiatore, pompa, tubazioni, sistema di regolazione). Scambiatori di calore a doppio tubo Lo scambiatore a doppio tubo si utilizza solo per scambiare di piccole quantità di calore, ossia per superfici di scambio modeste, poiché la sua complicazione costruttiva, e gli ingombri, aumentano di molto all’aumentare delle sue dimensioni. Esso è costituito da due tubi concentrici, generalmente formati da tratte rettilinee, in cui avviene lo scambio termico: i tratti sono raccordati con curve a 180°, per il fluido che passa nel tubo interno e mediante raccordi rettilinei flangiati, per il fluido che passa nella sezione anulare (figura 69). L’attacco tra il tubo interno e quello esterno è generalmente realizzato per saldatura, per evitare perdite.

Figura 69

Sono possibili realizzazioni in cui manca il tubo esterno: il fluido, se gassoso, passa tra i tubi, mentre, se liquido, viene spruzzato dall’alto: in questo caso lo scambiatore viene detto a ”trombone”. Scambiatori di calore a fascio tubiero Sono costituiti da un insieme di tubi paralleli (detto fascio tubiero o “tube bundle”) fissati almeno ad una estremità ad una piastra, e racchiusi dentro un involucro cilindrico (detto mantello o “shell”), come mostra la figura 70. Lo scambio di calore avviene tra il fluido che passa all’interno del fascio tubiero (lato tubi) e quello che passa all’esterno del fascio tubiero stesso (lato mantello). Questi fluidi entrano attraverso bocchelli posti rispettivamente sui fondi dello scambiatore (ingresso e uscita fluido lato tubi) e sul mantello, in prossimità delle piastre di attacco dei tubi (ingresso e uscita fluido lato mantello).

100

SCAMBIATORI A FASCIO TUBIERO

SEMPLICE TIPO 1:1

TIPO 1:2

A PIU’ PASSAGGI LATO TUBI E SHELL

TESTA FLOTTANTE

!

DIAFRAMMI

TIPO U-BENDS

!

!

!

TIPO KETTLE

NORME TEMA

SPORCAMENTO DEGLI SCAMBIATORI

SCAMBIATORI A TUBI ALETTATI

SCAMBIATORI A TUBI ALETTATI

SCAMBIATORI A PIASTRE

SCAMBIATORI A PIASTRE

!!

SCAMBIATORI A PIASTRE

SERPENTINI E FASCI SOMMERSI

scambiatori a piastre evaporatori forni

Le tipologie principali di apparecchiature di scambio termico utilizzate negli impianti dell’industria di processo saranno ora esaminate basandosi prevalentemente su questa seconda classificazione. Dispositivi di scambio termico per recipienti [8] I recipienti utilizzati nell’industria di processo sono generalmente cilindrici, ad asse verticale od orizzontale, muniti di fondi curvilinei: in alcuni casi (soprattutto per recipienti adibiti a funzioni di processo, come i reattori) sono muniti di agitazione. In questo caso il diametro dell’agitatore è generalmente compreso tra ! e " del diametro del recipiente e la velocità dell’agitazione è tanto minore quanto maggiore è il suo diametro: valori tipici sono 0.5-2 giri/min per agitatori del diametro di 1-2 m. Le necessità di scambio termico possono essere svariate: riscaldare per mantenere fluido un liquido in un serbatoio di stoccaggio o per coadiuvare una dissoluzione, refrigerare un prodotto, ma soprattutto riscaldare o raffreddare un reattore a tino agitato, che è tra quelli più comunemente utilizzati per realizzare reazioni chimiche. I dispositivi di scambio termico possono essere posti: all’interno del recipiente: serpentini (coils), fasci tubieri; all’esterno del recipiente: camicie (jackets) e scambiatori di calore.

Serpentini I serpentini si usano preferibilmente per recipienti ad asse verticale e sono costituiti da uno o più tubi avvolti ad elica ed immersi nel liquido: (figura 66a) il diametro del tubo è tipicamente 1/30 del diametro del recipiente; il diametro dell’elica è tale da poter essere collocata facilmente nel recipiente; si possono usare più serpentini concentrici.

(a) (b)

Figura 66 [11,12] Con un serpentino si può realizzare una superficie di scambio abbastanza grande, ma, essendo esso immerso nel liquido del recipiente, può essere soggetto a problemi di corrosione o incrostazioni. Inoltre, occorre dotare il recipiente di aperture per poter disporre ed estrarre il serpentino, con possibili problemi di tenuta. I valori tipici dei coefficienti di scambio totali per recipienti agitati dotati di serpentino variano tra 100 e 800 W/m2°C.

98

I serpentini si usano preferibilmente per recipienti ad asse verticale e sono costituiti da uno o più tubi avvolti ad elica ed immersi nel liquido: (figura a)• il diametro del tubo è tipicamente 1/30 del diametro del recipiente; • il diametro dell’elica è tale da poter essere collocata facilmente nel recipiente; • s i possono usare p iù serpent in i concentrici.

I fasci tubieri sono costituti dalla parte tubi di uno scambiatore a fascio tubiero e sono generalmente disposti orizzontalmente, come mostra la figura b. Con i fasci tubieri immersi, le problematiche sono simili a quelle dei serpentini, ma è possibile aumentare il coefficiente di scambio del fluido di servizio realizzando più passaggi nei tubi.

CAMICIE ESTERNE

Fasci tubieri immersi I fasci tubieri sono costituti dalla parte tubi di uno scambiatore a fascio tubiero (che sarà esaminato in uno dei prossimi paragrafi) e sono generalmente disposti orizzontalmente, come mostra la figura 66b. Con i fasci tubieri immersi, le problematiche sono simili a quelle dei serpentini, ma è possibile aumentare il coefficiente di scambio del fluido di servizio realizzando più passaggi nei tubi. Camicie Le camicie si usano preferibilmente per recipienti ad asse verticale e sono costituite da una intercapedine posta esternamente al recipiente, nella zona bagnata dal liquido (figura 67) dove il coefficiente di scambio termico è più elevato.

Figura 67 [8]

se nella camicia passa un liquido, l’ingresso è dal basso e l’uscita dall’alto, in modo che in fase di riempimento non rimangano bolle gassose all’interno della camicia;

se nella camicia entra un vapore che viene fatto condensare, l’ingresso è dall’alto e l’uscita del condensato è dal basso.

Esistono varie tipologie di camicie: convenzionali: l’intercapedine ha uno spessore tra 50 e 300 mm (aumenta

all’aumentare del diametro del recipiente) e spesso contiene dei diaframmi per aumentare la turbolenza (figura 68a);

a semi tubo: ottenuta saldando sulla parete mezzo tubo avvolto a spirale: si usano tubi con diametro esterno tra 60 e 120 mm (figura 68b e 68c). Questa configurazione resiste meglio alla pressione.

(b) (c) (a)

Figura 68 [8]

99

Le camicie si usano preferibilmente per recipienti ad asse verticale e sono costituite da una intercapedine posta esternamente al recipiente, nella zona bagnata dal liquido dove il coefficiente di scambio termico è più elevato.• se nella camicia passa un liquido, l’ingresso è dal basso e l’uscita dall’alto, in modo che in fase di riempimento non rimangano bolle gassose all’interno della camicia;• se nella camicia entra un vapore che viene fatto condensare, l’ingresso è dall’alto e l’uscita del condensato è dal basso.

Esistono varie tipologie di camicie:• convenzionali: l’intercapedine ha uno spessore tra 50 e 300 mm (aumenta all’aumentare del diametro del recipiente) e spesso contiene dei diaframmi per aumentare la turbolenza (figura a);• a semi tubo: ottenuta saldando sulla parete mezzo tubo avvolto a spirale: si usano tubi con diametro esterno tra 60 e 120 mm (figura b e c). Questa configurazione resiste meglio alla pressione.

Una camicia offre una superficie di scambio più limitata rispetto agli altri dispositivi, dato che essa è al massimo pari alla superficie esterna della parte di recipiente bagnata dal liquido. Poiché la camicia non è in contatto con il liquido nel recipiente, si può però utilizzare un materiale più economico anche in caso di liquido incrostante o corrosivo. I coefficienti globali di scambio per recipienti agitati muniti di camicia variano tipicamente tra 200 e 700 W/m2°C.