CONDENSAZIONE - people.unica.it - Università di...

CORSO DI IMPIANTI CHIMICI: SCAMBIO DI CALORE CON VARIAZIONE DI FASE

- 1 -

CONDENSAZIONE

IMPIANTI DI POTENZA => Vapore uscente dalla turbina

INDUSTRIA DI PROCESSO => Reattori chimici e biologici

=> Colonne di distillazione

=> Rimozione di condensabili da gas

REFRIGERAZIONE E CONDIZIONAMENTO DELL’ARIA.

APPARECCHIATURE:

Condensatori fascio tubiero.

Condensazione sia all’interno che all’esterno dei tubi.

Condensatori “air-cooled”.

Condensazione all’interno dei tubi.

Condensatori a piastre.

Condensatori a contatto diretto.

Refrigerante posto a diretto contatto con il vapore condensante.


- 2 -

CONDENSATORI A FASCIO TUBIERO

Orizzontale o verticale con diverse configurazioni in dipendenza

delle caratteristiche del processo.

Costruzione simile a quella degli scambiatori senza cambio di

fase ma con lB=Ds

I tipi piu’ utilizzati sono quelli orizzontali con condensazione

lato mantello e quelli verticali con condensazione lato tubi.

Le apparecchiature orizzontali con condensazione nei

tubi sono raramente utilizzate come condensatori di

processo mentre sono preferiti come riscaldatori e

vaporizzatori quando il mezzo riscaldante è vapore

condensante.

Condensatori verticali con condensazione lato mantello.

Es. ribollitori a termosifone per vaporizzare (nei tubi) il fondo di

colonne di distillazione.

Condensatori verticali con condensazione lato tubi.

Es. condensazione di vapori organici con richiesta di perdite di

carico basse per il fluido condensante.

Non sempre adattabile al “lay-out” dell’impianto.

Possibili problemi di pulizia lato mantello.

Progettazione molto flessibile ed efficiente.

Condensatori orizzontali con condensazione lato tubi.

Es. condensazione di vapori ad alta pressione.

Particolarmente sensibili all’inclinazione perche’ possono dar

luogo a fenomeni di “flooding”.


- 3 -

Devono essere evitati i multipli passaggi (eventualmente

utilizzando tubi a U) lato tubi per il pericolo della separazione del

condensato all’estremita’ del fascio e conseguente incerta

distribuzione dei flussi nei successivi passaggi.

Condensatori orizzontali con condensazione lato mantello.

E-shell => il piu’ utilizzato nell’industria

petrolifera ed e’ il piu’ economico. Ha

relativamente alta perdita di carico.

X-shell => utilizzato per avere basse

perdite di carico e con piu’ passaggi lato

tubi per approssimare meglio la

controcorrente. I maggiori svantaggi

risiedono nel costo del distributore.

J-shell => utilizzato per la condensazione

di idrocarburi quando e’ richiesta una

bassa perdita di carico. Impossibile

ottenere una buona approssimazione della

controcorrente.


- 4 -

CONDENSATORI AIR COOLED

Standard nel condizionamento aria e nei gruppi frigoriferi

Pregi e difetti degli scambiatori air cooled

Problemi analoghi ai condensatori a fascio tubiero con

condensazione lato tubi

Posibile la necessità di arrangiamenti

particolari

=> tubi inclinati

CONDENSATORI A PIASTRE

Pregi e difetti degli scambiatori a piastre

Evitare multipli passaggi

ARIA


- 5 -

MECCANISMI DI CONDENSAZIONE

Il meccanismo più frequente è del tipo a film.

Condensazione a goccia => coefficienti elevati

=> aggiunta di promotori

=> trattamenti superficiali

FILM GOCCE BULK

(NEBBIA)


- 6 -

COEFFICIENTI DI TRASFERIMENTO DI CALORE

Condensazionecontrollata dalla gravità (piastre verticali, interno

e esterno di tubi verticali)

=> Teoria di Nusselt (1916) film di condensato in flusso laminare.

CALCOLO LE VELOCITÀ E Re per il film di condensato

pA

wv

cLveR

Ap =>Area di passaggio

Lc =>Lunghezza caratteristica

ffp LA

f

f

ffc

L

L

bagnatoPerimetro

passaggiodiAreaL

444

f

ff

fc

L

weR

44

f portata di condensato per unità di larghezza della superficie


- 7 -

ot

cf

dN

w

=> esterno tubi verticali

it

cf

dN

w

=> interno tubi verticali

pp

cf

LN

w => piastre

3

13/1

2Re47.1

gkh vLL

Lc

kL = conduttivita’ termica del condensato,W/mC

L = densita’ del condensato, kg/m3

v = densita’ del vapore, kg/m3

= viscosita’ del condensato, Ns/m2

g = accelerazione di gravita’, 9.81 m/s2

Valida per Re<30

Per Re >30, l’equazione sottostima hc (risultati conservativi)

Condensazione di acqua

Valore tipico conservativo per vapore privo di aria

hc = 8000 W/m2C.

Condensazione all’esterno di tubi orizzontali.

Per un singolo tubo:


- 8 -

t

cf

L

w

3

13/1

2Re47.1

gkh vLL

Lc

Fascio di tubi

il condensato delle file superiori interferisce con quello delle file

inferiori

tt

cf

NL

w

6

13

13/1

2Re5.1

r

vLLLc N

gkh

Nt = numero totale di tubi del fascio

Nr = numero medio di tubi in una fila verticale (=2/3Nr,max)


- 9 -

Condensazione all’interno di tubi orizzontali.

Flusso stratificato (teoria di Nusselt):

3

13/1

2Re2.1

gkh vLL

Lc

Flusso anulare (corr. Boyko-Kruzhilin):

2

2/12

2/11 JJ

hh lc con J 1L

v

v

x

x = frazione in massa di vapore presente

1, 2 condizioni di ingresso e uscita,

43.08.0 PrRe021.0

i

Ll

d

kh

coefficiente lato tubo valutato per flusso monofase del condensato

in uscita.

Vapore saturo in ingresso totalmente condensato all’uscita:

2

1v

L

lc hh

Nel dimensionamento si utilizza solitamente il valore piu’ grande

tra flusso stratificato e anulare


- 10 -

tq

Qt

DESURRISCALDAMENTO E SOTTORAFFREDDAMENTO

Grandezze medie pesate:

Uc UcAc

Ac

UD Q

qUD

CONDENSAZIONE DI MISCELE

- condensazione totale di miscela multicomponente;

- condensazione parziale di miscela multicomponente con tutti i

componenti teoricamente condensabili;

- condensazione da un gas incondensabile.

La condensazione non e’ isoterma.

Condensazione totale di miscela multicomponente:

Correlazioni per componente puro e fattore di sicurezza (0.7-0.8)

Condensazione parziale:

- metodi approssimati

- metodi analitici

Regola indicativa:

- non-condensabili <0.5%. Si ignora la presenza di incondensabili

e si usano i metodi per condensazione totale;

- non condensabili >70%. Si considera il trasferimento di calore

come dovuto alla sola convezione forzata ma includendo nel

carico termico totale il calore latente di condensazione;

- non-condensabili tra 0.5 e 70%. Si considerano entrambi i

meccanismi di trasferimento.


- 11 -

PERDITE DI CARICO – FLUSSO BIFASICO

1. Modello a flusso omogeneo (vvap = vliq)

Correlazioni per monofasici con

mp

c

A

LweR

dove Ap è relativo a tutto il fluido e

lvm

xx

11 e x = frazione massica di vapore, si può valutare

una grandezza media tra ingresso e uscita.

2. Modello a flusso non omogeneo (vvap vliq)

Definisco:

L

L

dzdP

dzdP

2

V

V

dzdP

dzdP

2

LO

LO

dzdP

dzdP

2

Dove: dP/dz => perdite di carico

(dP/dz)L => perdite di carico dovute a un flusso del solo

liquido

(dP/dz)V => perdite di carico dovute a un flusso del solo

vapore

(dP/dz)LO => perdite di carico dovute a un flusso pari al

totale, ma con le proprietà del liquido


- 12 -

pA

vm

I possono essere ottenuti dai parametri:

V

L

dzdP

dzdP

X 2 => (Martinelli)

LO

VO

dzdP

dzdP

Y 2 => (Chisholm)

Tramite correlazioni o grafici:

2

2 11

XX

CL

22 1 XXCV

Liquido Vapore C

Turbolento Turbolento 20

Laminare Turbolento 12

Turbolento Laminare 10

Laminare Laminare 5

nn

n

LO xxxBY

22

22

2

22 111 (Chisholm)

Dove n => esponente di Re nel calcolo di f

B => 55/m0.5 (0 <Y< 9.5)

520/(Y m0.5) (9.5< Y <28)

15000/(Y2 m0.5) (28 < Y)

Lockhart - Martinelli


- 13 -

GENERAZIONE DI VAPORE =>processo di scambio termico con

cambiamento di fase

- Produzione di energia elettrica con turbine a vapore

- Processi di distillazione

- Concentrazione di miscele acquose

Classificazione delle apparecchiature:

- funzione / applicazione

- meccanismo di trasferimento

FUNZIONE

- Caldaia (boiler), nome generico di apparecchiatura che

genera vapore

- Generatore di vapore (steam generator), termine

usualmente utilizzato per impianti di potenza

- Ribollitore (reboiler), scambiatori che vaporizzano il

liquido al fondo delle colonne di distillazione

- Evaporatore (evaporator) scambiatore per concentrare un

liquido vaporizzando l’acqua o il solvente.

MECCANISMO DI TRASFERIMENTO DI CALORE.

- senza ebollizione a nuclei

- ebollizione a nuclei

- riduzione di pressione (flashing)

- contatto diretto con un fluido caldo


- 14 -

SORGENTE DI CALORE

combustibile

calore di scarto di processo sotto forma di gas caldo

vapore condensante

FORME GEOMETRICHE

fasci di tubi orizzontali o verticali

serpentini elicoidali

piatti piani orientati verticalmente

CIRCOLAZIONE

ebollizione in “pool”

circolazione naturale

circolazione forzata


- 15 -

Ribollitori a circolazione forzata. (fascio tubiero o piastre)

Fluidi sporcanti e viscosi e quando e’ necessaria una elevata

velocita’ di circolazione e/o un limitato aumento di

temperatura per minimizzare la degradazione termica dei

composti.

Ribollitore Kettle. (in pool)

Scambiatore orizzontale a fascio tubiero

con ebollizione lato mantello.

Circolazione del fluido solitamente di tipo

naturale.

Diametro del mantello 0.6-3 m.

Lunghezza dei tubi 2.4-12 m.

Tubi preferibilmente a U.

Percentuale di vaporizzazione fino a 80%.

Ribollitori a termosifone verticale. (fascio tubiero o piastre)

Fascio tubiero con vaporizzazione all’interno dei tubi.

Lunghezza dei tubi 2.5-5 m.

Grado di vaporizzazione l’8-30%

rapporto di ricircolazione (liquido ricircolato/vapore

generato) >3 (fino a 20 nelle applicazioni sotto vuoto)

Ribollitori a termosifone orizzontale.

Presentano solitamente un diaframma trasversale per dividere

il liquido e viene lasciato un certo spazio tra il fascio di tubi e

la parte superiore del mantello. Alto rapporto di

ricircolazione


- 16 -

Cambiamento di fase => nel fluido (nucleazione omogenea)

=> in siti di nucleazione sulla superficie

scaldante (cavità) o nel fluido stesso

(particelle sospese)

Superficie piana: PV = PL e TL = TV = Tsat

NUCLEAZIONE OMOGENEA:

Superficie curva: r

PP LG

2

Dove: s => tensione superficiale

r => raggio di curvatura

rx

TT V

vap

satsat

2

Tsat per H2O a 1 atm è pari a circa 200°C

Liquido

Vapore

r2


- 17 -

EBOLLIZIONE IN POOL


- 18 -

Flusso Critico

Equazione di Zuber (modificata per il caso di fascio di tubi):

qc 0.131 g L v v2 14 K

b

Nt

Pt

d0

10.131

qc = massimo flusso critico, W/m2

g = accelerazione di gravita’, 9.81 m/s2

Kb = costante, 0.41-0.44

Nt = numero di tubi del fascio

Pt = passo dei tubi

d0 = diametro esterno dei tubi

Equazione di Mostinski:

qc 3.67104PcPPc

0.35

1 PPc

0.9


- 19 -

EBOLLIZIONE CONVETTIVA

Vapore

Vapore + bolle trascinate

Anulare + trascinamento

Anulare

A bolle

Liquido

Convezione

Convezione

Ebollizione

a Nuclei

Convettivo

attraverso

film liquido


- 20 -

EBOLLIZIONE IN POOL

Nuclei

Correlazione di Foster e Zuber:

hnb 0.00122kL0.79CpL0.45L0.49

0.5L

0.290.24v

0.24

Tw Ts

0.24pw ps

0.75

hnb = coefficiente di ebollizione a nuclei in “pool”, W/m2C

kL = conduttivita’ termica del liquido, W/mC

CpL = calore specifico del liquido, J/kgC

L = densita’ del liquido, kg/m3

L = viscosita’ del liquido, Ns/m2

= calore latente, J/kg

v = densita’ del vapore, kg/m3

= tensione superficiale, N/m

Tw = temperatura di parete, C

Ts = temperatura di saturazione del liquido bollente, C

Pw = pressione di saturazione corrispondente alla Tw, N/m2

Ps = pressione di saturazione corrispondente alla Ts, N/m2

Equazione di Mostinski:

hnb 0.104Pc069q0.71.8 PP

c

0.17

4 PPc

1.2

10 PPc

10

P = pressione operativa, bar

Pc = pressione critica del liquido, bar

q = hnb(Tw-Ts) = flusso di calore, W/m2


- 21 -

Ebollizione a film.

Equazione di Bromley:

hfb 0.62kkv3v L v gvd0TwT

s

1/ 4

dove d0 va espresso in metri

MISCELE.

Per miscele con intervallo di ebollizione >5C :

(hnb)mix = (hnb)puro fm

fm = exp[-0.0083(Tbo-Tbi)].

Tbo= temperatura della miscela di vapori uscenti, C

Tbi= temperatura del liquido entrante, C

Valori di flusso < 0.7qc

Kettle q < 38.000 W/m2


- 22 -

EBOLLIZIONE CONVETTIVA.

Metodo di Chen (eboll. convettiva satura)

(hcb) = (h fc'

) + (hnb'

).

h fc'

= hfcfc.

fc = f(1/Xtt)

1

Xtt

x

1 x

0.9L

v

0.5

v

L

0.1

x = percentuale in peso di vapore.

'nbh = hnbfs

fs = f(NReL)

Re L 1 x Gd

i

L

CONDENSAZIONE - people.unica.it - Università di...

Documents

Transcript of CONDENSAZIONE - people.unica.it - Università di...