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Modulo 0.5: Richiami di componentistica Scambiatori di calore Prof. Ing. Cesare Saccani Prof. Ing. Augusto Bianchini Ing. Marco Pellegrini, PhD Ing. Alessandro Guzzini Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna Corso di Impianti Meccanici Laurea Triennale e Magistrale
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Modulo 0.5: Richiami di componentistica
Scambiatori di calore
Prof. Ing. Cesare Saccani
Prof. Ing. Augusto Bianchini
Ing. Marco Pellegrini, PhD
Ing. Alessandro Guzzini
Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna
Corso di Impianti Meccanici
Laurea Triennale e Magistrale
Scambiatori di calore
Generalità
Lo scambiatore di calore è un componente che realizza il trasferimento di
energia termica tra due fluidi a temperatura differente.
Lo scambio termico tra i due fluidi può avvenire tramite miscelazione diretta dei
fluidi stessi (scambiatori a contatto diretto o a miscela) oppure attraverso una
superficie che separa fisicamente i due fluidi (scambiatore a contatto indiretto o
a superficie).
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Scambiatori di calore
Scambiatori a contatto diretto o a miscela
Un esempio tipico di scambiatore a miscela è il degasatore, solitamente
presente in impianti per la produzione di energia con turbina a vapore.
Scambio di
massa e non
di superficie
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Scambiatori di calore
Negli scambiatori a miscela è determinante il livello di atomizzazione delle
particelle, allo scopo di incrementare la superficie di scambio.
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0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1
Su
perf
icie
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occio
lin
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en
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te
da 1
lit
ro d
i acq
ua
(S
) [m
2]
Diametro gocciolina (d) [mm]
Superficie totale delle goccioline nebulizzate da un litro di acqua
Volume di acqua (V): 0,001 [m3]
Diametro della gocciolina atomizzata (d): ascissa
Numero di goccioline (#): 6V/Πd3
Superficie goccioline (s): Πd2
Superficie occupata dalle goccioline (S): s#
S=6d-1
per 1 m3 di acqua e d=[m] ovvero
per 1 litro di acqua e d=[mm]
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S)
[m2]
Diametro gocciolina (d) [mm]
Superficie totale delle goccioline nebulizzate da un litro di acqua
Volume di acqua (V): 0,001 [m3]
Diametro della gocciolina atomizzata (d): ascissa
Numero di goccioline (#): 6V/Πd3
Superficie goccioline (s): Πd2
Superficie occupata dalle goccioline (S): s#
S=6d-1
per 1 m3 di acqua e d=[m] ovvero
per 1 litro di acqua e d=[mm]
Scambiatori di calore
Negli scambiatori a miscela è determinante il livello di atomizzazione delle
particelle, allo scopo di incrementare la superficie di scambio.
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Scambiatori di calore
Scambiatori a contatto indiretto o a superficie
Gli scambiatori a superficie sono di gran lunga i più diffusi. Possono essere
classificati per modello costruttivo:
- a doppio tubo;
- a fascio tubiero;
- a piastre;
- a superfici alettate;
- …
Scambiatore a doppio tuboScambiatore a fascio
tubiero
Scambiatore a piastreScambiatore a
superfici alettate
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Scambiatori di calore
Scambiatori a contatto indiretto o a superficie
Inoltre, si distinguono per profilo termico in:
- equicorrente;
- controcorrente;
- flusso incrociato.
Equicorrente Controcorrente Flusso incrociato
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Scambiatore di calore a piastre
Scambiatori di calore
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Scambiatore di calore a piastre
Scambiatori a piastre di diverse taglie
Conformazione della singola piastra
Piastra corrugata
Fluido caldo
(gas metano
compresso)
Fluido
freddo
(acqua)
Scambiatori di calore
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Scambiatore di calore a piastre
Scambiatori di calore
https://www.youtube.com/watch?v=Jv5p7o-7Pms10/18
Scambiatore di calore a piastre
Il fluido caldo lambisce la parte anteriore della piastra
Il fluido freddo (in trasparenza) lambisce la parte posteriore della piastra
Scambiatori di calore
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Differenti tipologie di corrugazione delle piastre
L’inclinazione e il numero dei canali determina la perdita di
pressione del fluido nell’attraversamento dello scambiatore
angolo di
inclinazione
del canale
canale
Perdita di carico minore con
piccolo angolo di inclinazione
Angolo di
inclinazione
del canale
Scambiatore di calore a piastre
Scambiatori di calore
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• potenza termica scambiata dal fluido caldo
uciccc TTcmQ
ufiff
f
TTc
Qm
Dimensionamento scambiatore in controcorrente
• si determina la portata di fluido freddo
• si valuta il coefficiente di trasmissione
fc
1s1
1K
Scambiatore di calore a piastre
Scambiatori di calore
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Scambiatori di calore
Il coefficiente di scambio termico globale K
K=1/[(1/αc)+(s/λ)+(1/αf)]
α: coefficiente di convezione, dipende da tipo di fluido, velocità e pressione;
λ: conduttività termica, dipende dal tipo di materiale e dalla temperatura.
Il coefficiente di convezione è difficile da determinare: pertanto, anche il
coefficiente di scambio termico globale risulta di difficile determinazione.
Fluidi K, [W/m2K]
Acqua-acqua 800-1.600
Acqua-olio 100-400
Gas-gas 10-40
Liquido condensante-acqua 1.000-5.000
Acqua-aria (scambiatore alettato) 25-50
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• si determina il salto medio logaritmico
Dimensionamento scambiatore in controcorrente
• si valuta la superficie di scambio
1
2
12
m
ln
T
mTK
QS
• in relazione alle piastre scelte si calcola la perdita di
carico nell’attraversamento dello scambiatore per i due
fluidi∆pc ∆pf
perdita di carico
fluido caldo
perdita di carico
fluido freddo
Scambiatore di calore a piastre
Scambiatori di calore
Legenda pedici:
u: uscita
i: ingresso
c: caldo
f: freddo
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Scambiatore di calore a piastre: specifica tecnica
Scambiatori di calore
Fattore di sporcamento
Nel dimensionamento degli scambiatori si deve prestare
particolare attenzione alla tendenza allo sporcamento delle
superfici di scambio. Lo sporcamento delle superfici di
scambio provoca infatti un aumento della resistenza alla
trasmissione del calore dovuto a depositi di sporco e/o ad
incrostazioni.
Per tenere conto di questa resistenza termica si definisce il
fattore di sporcamento (fouling factors) espresso in [𝐦𝟐𝐊/𝐖].
Fattore di sporcamento per diversi fluidi in [m2K/W],
[Manuale del termotecnico, Rossi]
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Scambiatore di calore a piastre: disegni quotati
Scambiatori di calore
Riferimenti per attività di
manutenzione ed ispezione
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Condensatori
Scambiatori di calore
Negli impianti frigoriferi
vengono utilizzati
scambiatori di calore come
quello mostrato in figura.
In genere come fluidi
refrigeranti si utilizzano
acqua o aria, a causa
della loro reperibilità e del
loro basso costo.
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Modulo 0.5: Richiami di componentistica
Scambiatori di calore
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Ing. Marco Pellegrini, PhD
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