Simulazione di scambiatore di calore
Presentazione del problema
In questo tutorial viene mostrata la simulazione di uno scambiatore di calore ricorrendo a un
esempio.
L’acqua (1,5 bar, 20 m³/h) deve essere riscaldata tramite acqua di processo molto calda (130 °C,
2,7 bar, 50 m³/h) da 10°C ad almeno 90°C. Lo scambiatore di calore deve essere fatto
funzionare in controcorrente. In tal caso l'acqua di processo, che fluisce nei tubi, non deve
essere raffreddata di oltre un massimo di 50 K. Da un vecchio impianto viene smontato uno
scambiatore di calore a fascio tubiero, che verrà utilizzato per questo compito. I dati dello
scambiatore di calore sono riportati in Tabella 1.
Tabella 1: Dati geometrici dello scambiatore di calore
Forma
Materiale
Diametro interno mantello [m]
Numero di tubi
Lunghezza dei tubi [m]
Disposizione dei tubi
Distanza tra i tubi
Dimensioni dei tubi
Numero di lamiere di rinvio
Distanza tra le lamiere di rinvio [m]
Sezione libera nel lato di rivestimento [%]
Diametro bocchettone (lato tubo) [m]
Diametro bocchettone (lato rivestimento) [m]
TEMA R/ BEM (vedere Figura 1)
Acciaio nero (anche acciaio C o acciaio per
costruzioni)
0,8
670
4
forma a triangolo ruotata (60°)
1,25 ∙ 𝑑𝑡𝑢𝑏𝑒
𝑑𝑜𝑢𝑡 = 19 𝑚𝑚; 𝑑𝑖𝑛 = 16 𝑚𝑚
11
0,32
30
0,1
0,15
Di seguito si deve analizzare mediante un valore di rating se questo scambiatore di calore
soddisfa la potenza richiesta e se la perdita di carico (lato tubi e lato mantello) di 0,5 bar non
viene superata.
Figura 1: Forma dello scambiatore di calore BEM
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Principio di risoluzione e ipotesi
Per risolvere il problema oltre a CHEMCAD Steady State è necessario anche CC-THERM.
CC-THERM è un programma add-on e comprende la simulazione rigorosa degli scambiatori di
calore.
In CHEMCAD Steady State vi è già la possibilità di simulare lo scambiatore di calore con un
semplice bilancio energetico e di massa. Tuttavia non viene calcolato alcun coefficiente di
trasmissione di calore e la struttura e i parametri costruttivi non vengono tenuti in
considerazione.
Con CC-THERM vengono offerti calcoli rigorosi dei seguenti tipi di scambiatori di calore:
scambiatore di calore a fascio tubiero, a piastre, a doppio tubo e refrigeratore ad aria.
È possibile scegliere tra progettazione (design) e valutazione (rating) di uno scambiatore di
calore esistente.
Nella valutazione di uno scambiatore di calore sono già noti i dati costruttivi (come ad esempio
il numero di tubi, le dimensioni dei tubi, il numero di lamiere di rinvio, ecc.) dello stesso. Per
una miscela di sostanze predefinita è possibile quindi verificare se la potenza richiesta può
essere raggiunta con lo scambiatore di calore disponibile.
La progettazione e il calcolo dello scambiatore di calore vengono eseguiti secondo standard
internazionali: TEMA, ASME, DIN o British Standard.
Per la presente simulazione viene utilizzato come modello termodinamico per il calcolo
dell'entalpia la tabella IAPWS-IF97 per le proprietà termodinamiche dell'acqua e del vapore.
Poiché è presente solo il componente acqua, non è necessaria alcuna termodinamica di
miscelazione. Pertanto viene scelto il modello più semplice (legge di Raoult ideale, VAP). Nella
Tabella 2 sono riassunti i dati di simulazione più importanti.
Tabella 2: Composizione dei dati di simulazione
Unità
Componenti
Termodinamica
Flussi di feed
k
Unit Operation
Common
SI
Acqua
K: VAP, H: IAPWS
Hot:
1 scambiatore di
calore;
𝑇𝐸𝑖𝑛 = 130°𝐶
2 feed;
𝑝 = 2,7 𝑏𝑎𝑟
2 prodotti
𝜈=0
𝑉̇𝐻𝑜𝑡 = 50 𝑚3 /ℎ
Cold:
𝑇𝐸𝑖𝑛 = 10°𝐶
𝑝 = 1,5 𝑏𝑎𝑟
𝑉̇𝑐𝑜𝑙𝑑
= 20 𝑚3 /ℎ
Inoltre il flusso caldo (Hot) deve avere una temperatura di uscita maggiore di 80 °C e il flusso
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freddo (Cold) una temperatura di uscita di 90°C.
Trasferimento della simulazione dello scambiatore di calore in CHEMCAD
Inizialmente si compila il flowsheet con lo scambiatore di calore utilizzando CHEMCAD Steady
State e si definiscono i flussi di feed come indicato in Tabella 2, vedere Figura 2.
Figura 2: Flowsheet con scambiatore di calore
Le specifiche dello scambiatore di calore possono essere introdotte nella finestra di
impostazione (Figura 3) tramite diversi parametri. Tra gli altri è possibile definire la superficie
dello scambiatore di calore A e il coefficiente di trasferimento di calore k , dai quali vengono poi
calcolati i dati di processo dei flussi in uscita. Altre possibilità di impostazione (tra l'altro
indicazione di temperatura, contenuto di vapore, differenza minima di temperatura) sono
parimenti possibili.
Sotto Utility Option è possibile calcolare il flusso di massa richiesto di uno dei flussi di feed in
base all'altro flusso e i parametri impostati. La definizione di direzione del flusso e la
visualizzazione dei risultati calcolati vengono eseguite sotto Misc. Settings.
Per questa simulazione viene definita la temperatura iniziale del flusso freddo. Secondo il
compito prefissato, essa deve essere pari ad almeno 90°C. Viene specificata una temperatura di
95°C. Un dato è sufficiente per la simulazione di un semplice scambiatore di calore.
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Figura 3: Finestra di impostazione dello scambiatore di calore HTXR
La simulazione viene avviata. Si ottengono i risultati mostrati in Figura 4. Entrambi i flussi hanno
una temperatura di uscita di circa 95°C, per cui la condizione che il flusso caldo non debba
essere raffreddato sotto 80°C, viene soddisfatta.
Figura 4: Tabella dei risultati dello scambiatore di calore semplice
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Per la simulazione rigorosa viene richiamato CC-THERM sotto "Sizing: Heat Exchangers“ (Figura
5).
Figura 5: Percorso per richiamare CC-THERM
Dopo la selezione dello scambiatore di calore a fascio tubiero, viene innanzitutto posta la
domanda di quale flusso di feed deve fluire nei tubi attraverso lo scambiatore di calore (Figura
6) e, se non è già stata effettuata la scelta, di quale scambiatore di calore presente nel
flowsheet stia eseguendo la simulazione. In questo esempio l'acqua di processo calda fluisce nei
tubi.
Figura 6: Definizione del flusso di feed che fluisce nei tubi
Successivamente CHEMCAD crea il diagramma Q-T (Heat Curve) (Figura 7). In genere questo
viene creato a partire a 11 punti (preimpostazione). Analogamente nella finestra di
impostazione "Heat Curve Parameters" è possibile scegliere tra flusso in equicorrente e flusso in
controcorrente.
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Figura 7: Finestra dei parametri del diagramma Q-T
Nel diagramma Q-T è già visibile se all'interno dello scambiatore di calore si verifica un
passaggio di stato. Se in una miscela monocomponente si verificasse un passaggio di stato, ci si
deve aspettare che la temperatura nel passaggio di stato non salga ulteriormente e quindi ci si
deve aspettare un andamento orizzontale. Nell'esempio analizzato si ottiene il diagramma T-Q
mostrato in Figura 8. Non si ha alcun passaggio di stato. Inoltre possono essere lette le
temperature di uscita prevedibili. I dati utilizzati nel diagramma provengono dalla simulazione
dello scambiatore di calore precedentemente creata dal modulo CHEMCAD Steady State.
Figura 8: Diagramma Q-T
Dopo aver confermato con "Ok" si apre automaticamente la finestra successiva per le
impostazioni generali dello scambiatore di calore (Figura 9). Sotto Calculation mode è possibile
scegliere tra il caso design o rating. Sotto TEMA class/standard viene scelta la base di calcolo
per i dettagli geometrici.
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A tal fine sono disponibili diversi standard internazionali. È preimpostato lo standard TEMA R
(Tubular Exchanger Manufacturer’s Association Type R).
Successivamente viene definita la struttura geometrica dello scambiatore di calore. La struttura
viene indicata con lo standard TEMA.
Nell'esempio si deve valutare uno scambiatore di calore predefinito per i flussi indicati. Si ha
uno scambiatore di calore secondo il modello TEMA. Si tratta in questo caso di TEMA classe R
con la forma BEM (Figura 1). CHEMCAD riconosce automaticamente dai parametri di processo
predefiniti se si ha un passaggio di stato e sceglie il rispettivo modello di calcolo sotto Process
type. Il fattore di fouling in CHEMCAD è preimpostato su 0,000176109 m²K/W, ma può essere
modificato manualmente.
Figura 9: Finestra di impostazione generale del modulo CC-THERM per scambiatore di calore a fascio tubiero
Sotto Modeling Methods (Figura 10) è possibile adattare i metodi di calcolo, ad esempio per il
caso laminare o turbolento, in base alle esigenze.
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Figura 10: Finestra di impostazione del modulo CC-THERM per scambiatore di calore a fascio tubiero, scheda:
Modeling Methods
Dopo la conferma si apre automaticamente la finestra di impostazione successiva. Di seguito
vengono definiti in maggior dettaglio i dati geometrici dello scambiatore di calore. Dapprima
vengono riportati i dati del fascio tubiero (Figura 11).
Figura 11: Impostazione del fascio tubiero
Nel caso rating si possono elaborare tutti i campi di immissione. Nel caso design vengono
calcolati il numero e la lunghezza dei tubi e questi non sono quindi editabili. In CHEMCAD sono
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presenti valori già predefiniti per uno scambiatore di calore a fascio tubiero. Nelle misure dei
tubi si fa riferimento in questo caso a un tubo da 3/4 di pollice. Tutti i valori possono tuttavia
essere sovrascritti a mano.
I dati geometrici dello scambiatore di calore vengono impostati come indicato in Tabella 1. I
valori predefiniti, come ad esempio lo spessore della lamiera del tubo (Tubesheet thickness)
vengono acquisiti di conseguenza.
Come passo successivo si aprono le impostazioni del mantello (Figura 12). Oltre ai dati del
diametro del mantello è possibile impostare anche se si devono collegare in serie o in cascata
più scambiatori di calore.
Figura 12: Impostazioni del mantello
I bocchettoni di attacco possono essere specificati nella finestra successiva (Figura 13). Anche
qui si hanno valori già predefiniti, che possono essere adattati manualmente all'occorrenza. Il
diametro del bocchettone per il lato tubo è 0,1 m e per il lato mantello 0,15 m.
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Figura 13: Specifica dei bocchettoni di attacco
Dimensioni geometriche e disposizioni per le lamiere di rinvio possono essere impostate nella
finestra seguente (Figura 14). Se qui non sono predefiniti valori, CHEMCAD li calcola con
l'algoritmo di calcolo CC-THERM.
Nello scambiatore di calore fornito si hanno undici lamiere di rinvio, che coprono il 70% della
sezione. La sezione libera nel mantello è quindi del 30%. CHEMCAD calcola automaticamente le
distanze delle lamiere di rinvio.
Figura 14: Impostazioni delle lamiere di rinvio
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Nelle finestre che si aprono successivamente vengono definite le distanze geometriche
all'interno dello scambiatore di calore (Clearance Specifications: Figura 15), viene impostato il
materiale dello scambiatore di calore (Material Specifications: Figura 16) e sotto Miscellaneous
Specifications (Figura 17) si possono effettuare altre impostazioni, come ad esempio
l'indicazione della potenza termica da ottenere.
Non vengono effettuate altre impostazioni nelle finestre successive. Lo scambiatore di calore è
in acciaio nero, per cui in Figura 16 non viene apportata alcuna modifica. Tutti gli altri valori
predefiniti vengono acquisiti. I dati geometrici, come ad esempio le distanze all'interno dello
scambiatore di calore hanno un influsso ridotto sulla simulazione e sono quindi fondamentali
solo per la struttura dello scambiatore di calore. L'immissione di questi dati non è strettamente
necessaria per la simulazione.
Figura 15: Finestra di impostazione per le distanze geometriche nello scambiatore di calore
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Figura 16: Finestra di impostazione per la selezione del materiale
Figura 17: Finestra di impostazione per altre impostazioni
Dopo che tutte le impostazioni sono state effettuate, viene visualizzato il menu principale CCTHERM dello scambiatore di calore a fascio tubiero (Figura 18).
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Figura 18: Menu principale dello scambiatore di calore a fascio tubiero
Con il comando Calculate lo scambiatore di calore, con i dati precedentemente immessi,
effettua una simulazione rigorosa. I risultati del calcolo possono essere visualizzati sotto View
Results. Vi è anche la possibilità di riportare i risultati in un file Excel o di testo. Sotto Select
Reports si possono selezionare le sezioni desiderate del report e poi compilare con Generate
Reports (Figura 19).
Figura 19: Selezione delle sezioni del report
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Per aggiungere il calcolo di CC-THERM nella simulazione CHEMCAD, il menu principale viene
chiuso tramite Exit. Le modifiche vengono salvate. La finestra di impostazione dello
scambiatore di calore precedentemente creato viene ora aperta con un doppio clic. Sotto
Simulation mode si passa all'opzione 1 Shell & tube simulation. Ora i dati costruttivi
precedentemente impostati in CC-THERM vengono utilizzati per la simulazione dello
scambiatore di calore (Figura 20). La simulazione viene riavviata.
Figura 20: Passaggio alla simulazione CC-THERM
Valutazione dei risultati della simulazione
Dopo la simulazione viene aggiornata la tabella dei risultati (Figura
22). Si può vedere che la temperatura di uscita del flusso caldo è
stata abbassata a circa 85°C (prima: 95 °C). La temperatura di
uscita del flusso freddo è di 110°C. Di conseguenza lo scambiatore
di calore soddisfa la potenza richiesta. Dai risultati dello
scambiatore di calore è possibile leggere la perdita di carico (figura
21). La perdita di pressione sia sul lato del tubo che sul lato
mantello è inferiore a 0,5 bar. Questi requisiti vengono quindi
soddisfatti. Tuttavia sul lato freddo, a causa della temperatura di
uscita maggiore e della perdita di carico, si verifica una
evaporazione di circa il 2% dell'acqua. Poiché questo in genere non
è desiderato sono necessari altri accorgimenti (ad es. un aumento
della pressione sul lato freddo) al fine di utilizzare lo scambiatore di
calore per il compito desiderato.
Figura 21: Tabella dei risultati dello scambiatore di calore
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Figura 22: Tabella dei risultati dopo la simulazione CC-THERM
Oltre a questa riproduzione dei risultati nel flowsheet è possibile anche predisporre un riepilogo
dei risultati CC- THERM, ad esempio sotto forma di una scheda dati TEMA, vedere Figura 19.
Interventi di ottimizzazione
Sussiste quindi la possibilità di una progettazione (design) di uno scambiatore di calore in
CHEMCAD. A tal fine non è necessario che siano noti dati costruttivi. Si devono predefinire solo
la potenza termica desiderata o le temperature di uscita desiderate. Nella modalità design
vengono calcolati i dati costruttivi e geometrici.
Un altro intervento di ottimizzazione sarebbe analizzare in che misura peggiora lo scambio
termico, se i tubi nello scambiatore di calore dovessero essere occlusi e saldati. La chiusura dei
tubi sarebbe nell'esempio di cui sopra una possibilità per impedire l'evaporazione sul lato
freddo, riducendo la superficie di scambio di calore. Un'altra domanda sarebbe quanti tubi
possono al massimo non essere utilizzabili ottenendo comunque la potenza richiesta? Con CCTHERM è possibile effettuare la simulazione per un numero di tubi ridotto e analizzare l'influsso
sulla potenza termica. Inoltre sono disponibili gli strumenti di analisi di sensibilità presenti in
CHEMCAD e l'ottimizzazione SQP per analizzare diversi parametri e scenari.
Nel campo del recupero di calore viene spesso utilizzato uno scambiatore di calore con
struttura bypass. Se in estate si verifica una situazione tale da dover rinunciare al recupero di
calore, il gas di scarico caldo viene convogliato attraverso il bypass sullo scambiatore di calore.
La simulazione di un bypass può avvenire in CHEMCAD ad esempio con l'ausilio di regolatori
(controller), così da poter analizzare rapidamente diversi scenari operativi.
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L'uso di CC-THERM per altri tipi di scambiatori di calore (scambiatore di calore a piastre o a
doppio tubo e refrigeratore ad aria) avviene in modo analogo e può essere dedotto da altri
tutorial.
Per ricevere ulteriori informazioni su tutorial, seminari o soluzioni inerenti CHEMCAD
inviare una mail
all'indirizzo:
[email protected]
oppure telefonare al numero :
+49 (0)30 20 200 600
www.chemstations.eu
Autore: Lisa Weise
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