ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE STATALE
con Indirizzo SCIENTIFICO TECNOLOGICO con Maturità Scientifica
“GALILEO GALILEI”
Via Matilde di Canossa, 21 - CREMA
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RITORNA
AREA DI PROGETTO
Scambiatore di calore
A.S. 1998/99
Classe 5a MA
Benatti M.,Cassani D.
Cazzamalli M.,Frosi R
Foppa Vicenzini M.
Malusardi C.,Merico M.,
Manfredi J.,Moretti D.,
Nembri M.,Nodari M.,
Piccioni F.,Porchera D.;
Pola A.
Prof..Bandirali F.
Sig.Ruini G.
Sig.Barbieri F.
2
SCAMBIATORE DI CALORE
Il funzionamento dello scambiatore si basa sulle modalità di
propagazione del calore e, visto che il nostro è uno
scambiatore acqua-acqua, in particolare sulla convezione
(trasmissione di calore all interno di un fluido) e sulla
conduzione (trasmissione di calore in un solido).
CONVEZIONE: avviene nei fluidi. Si ha una migrazione di
molecole le quali, mescolandosi, si scambiano calore. La
convezione può essere naturale, quando i movimenti di
materia sono dovuti all esistenza di un gradiente termico,
oppure forzata, quando una causa esterna determina
rimescolamenti della massa fluida
3
SCAMBIATORE DI CALORE
CONDUZIONE: è caratteristica dei corpi solidi. Il calore viene trasmesso
per gli urti provocati dalla vibrazione delle particelle costituenti i corpi
senza che queste si mescolino
Nel caso di una parete, riscaldando una delle due facce ad una certa
temperatura, notiamo che anche l’ altra faccia si riscalda; la temperatura
si stabilizzerà sulle due facce
TRASMISSIONE TRA FLUIDI ATTRAVERSO UNA PARETE: è questo il
caso dello scambiatore di calore. Comprende, suddiviso in tre fasi,
convezione e conduzione:
1-.Il calore del fluido passa alla parete
2-.Il calore passa attraverso la parete
3-.Il calore passa dalla parete al fluido freddo
Le fasi 1 e 3 sono esempi di convezione, mentre la 2 di conduzione
A volte ( non nel nostro caso ) per proteggere l’apparecchio dalle tensioni
che si possono verificare per i diversi allungamenti del mantello e dei tubi,
sotto l’effetto del calore, il mantello è munito di dilatatori che gli danno la
possibilità di compensare il fenomeno
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SCAMBIATORE DI CALORE
Scambiatore in controcorrente
5
SCAMBIATORE DI CALORE
DIMENSIONAMENTO TERMICO
Durante il dimensionamento è indispensabile calcolare il coefficiente di
scambio termico:
U = 1/ (1/ h1 + s/ k + 1/ h2 ) dove h1 e h2 sono i coefficienti di convezione
dei due fluidi in W/m2K (in questo caso abbiamo da entrambe le parti acqua),
s è lo spessore della parete ossia del tubo e k rappresenta il coefficiente di
conduzione in W/km.
Inizialmente ci sono stati forniti come dati di partenza le temperature
d'ingresso e d'uscita del fluido caldo (riscaldante) e del fluido freddo (da
riscaldare), la velocità e la portata del fluido, la lunghezza e il diametro dei
tubi, i coefficienti h1, h2 e k. Tramite i calcoli siamo riusciti a determinare il
numero di tubi contenuti nel dispositivo.
La portata è stata scelta in funzione della velocità (v =5 m/s), che abbiamo
ipotizzato visto che la tubazione proveniente dalla caldaia è di 1-1/4 “ (con
diametro interno di 36,1 mm e diametro esterno di 42,2 mm).
La potenza d'uscita è di circa 22 KW e viene sottratta a quella dell’edificio.
E’solo una minima percentuale (quasi il 2%) della potenza presente
nell’edificio, la quale ha un valore di 1000000 Kcal/h, pari a circa 1160 KW.
6
SCAMBIATORE DI CALORE
DIMENSIONAMENTO TERMICO
La temperatura media della caldaia è di 60°C (valore solito negli impianti
civili), mentre quella del fluido caldo in ingresso è stata ipotizzata
prudentemente a 55°C, prevedendo un salto termico di temperatura di 10°C
perchè il fluido caldo arriva in uscita a 45°C.
Per quanto riguarda il fluido freddo derivante dall’acquedotto, da una
temperatura di ingresso di 15°C, abbiamo ottenuto una temperatura di uscita
di 35°C, ideale per un utilizzo di tipo idrosanitario.
La lunghezza del nostro scambiatore (cioè la distanza tra la piastra 1 e la
piastra 2) è stata fissata a 1,6 m per facilitare la costruzione della superficie
di scambio.
Con una lunghezza minore sarebbe sorto il problema di avere piastre tubiere
di diametro troppo elevato, impossibili da realizzare nella nostra officina.
Il dimensionamento da noi svolto è relativo al tipo più semplice di
scambiatore di calore, mentre il nostro caso riguarda lo scambiatore con
flusso di corrente incrociato. Non è necessario svolgere il dimensionamento
di quest’ultimo perché sarebbe difficoltoso, contenendo dei calcoli troppo
complicati da risolvere.
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SCAMBIATORE DI CALORE
DIMENSIONAMENTO TERMICO
All’interno di un impianto contenente uno scambiatore di calore, il fluido
caldo riscaldante proveniente dalla caldaia, ritorna a lei; il fluido freddo da
riscaldare arriva dalla rete idrica e una volta uscito dallo scambiatore viene
mandato all’utilizzatore.
E’ possibile verificare tutto questo nello schema finale, che contiene anche
molti altri elementi. Ad esempio possiamo trovare il flussostato che regola la
portata mandando impulsi alle pompe tramite una tubazione con pilotaggio
elettrico, i manometri che rilevano il valore della pressione in diversi punti,
le valvole a sfiato d’aria, le valvole di non ritorno per consentire il passaggio
del fluido in una sola direzione.
Le tubazioni provenienti dalla caldaia e collegate all’aerotermo hanno un
diametro di 1-1/4”, ed è a queste che ci collegheremo tramite giunti a “ T “
di ghisa malleabile modificando i collegamenti esistenti (vedi schema).
Questo tipo di dispositivo (scambiatore) non è utilizzato solamente per
impieghi civili, ma anche nell’industria termica, frigorifera, o petrolifera
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SCAMBIATORE DI CALORE
DIMENSIONAMENTO TERMICO SCAMBIATORE DI CALORE
LATO TUBI
Fluido freddo (Acqua pozzo)
LATO MANTELLO
Fluido caldo (Acqua imp.riscaldamento)
T ingresso
Tf f i=
15 °C
Tf ci=
55 °C
T uscita
Tf f u=
35 °C
Tf cu=
45 °C
Portata
Q=
31,5
60000 0,000525
v=
0,5
c=
4187
r=
1000
Q/
Calore specifico
Densità
Diametro est.tubi
Diametro int.tubi
Lunghezza tubi
Spessore tubi S = (de-di)/2=
1,5
de=
di=
L tubi=
mm =
Coeff.di convezione
hi =
Coeff.di conduzione hi = k =
Coeff.di convezione
he =
W/m2K
W/mK
W/m2K
Coeff.scambio termico
U=
1000
40
500
1/(1/hi+S/k+1/he)=
20
17
1600
0,0015
l/min
m3/s
m/s
J/KgK
Kg/m3
mm
mm
mm (Esterno piastre tubiere)
m
329,2181 Wh/m2K
tm = [(Tfci-Tffu)-(Tfcu-Tffi)]/{2,3*Log[(Tfci-Tffu)/(Tfcu-Tffi)]}
=
24,69
.
Potenza termica
Q=Q*r*c* DT =
21981,75 W
.
Q=U * As cambio * tm
.
2
Ascambio=106*Q/(U* tm )
=
2704233 mm
d medio tubi =(de+di)/2 =
altezza circonferenze sviluppate
Ntubi=
°C
18,5 mm
h = Ascambio/Ltubi=
h/(3,14*d)=
29
1690,15 mm =p * dmedio * Ntubi
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SCAMBIATORE DI CALORE
COMPLESSIVO SCAMBIATORE
10
SCAMBIATORE DI CALORE
1-BOCCAGLI (TRONCHETTI E FLANGE)
cartellino di lavorazione
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SCAMBIATORE DI CALORE
1-BOCCAGLI (TRONCHETTI E FLANGE)
I tronchetti sono ricavati da tubi senza saldatura.
Le flange sono ricavate da lamiera,sono unite ai tronchetti
mediante saldature a piena penetrazione.
.
12
SCAMBIATORE DI CALORE
2-MANTELLO, BOCCAGLI E SUPPORTI
cartellino di lavorazione
13
SCAMBIATORE DI CALORE
2-MANTELLO: è un tubo senza saldatura dotato di
attacchi per l’entrata e l’uscita dei fluidi.
Al mantello sono saldate le piastre tubiere e all’interno
di esso si posiziona il fascio tubiero.
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SCAMBIATORE DI CALORE
SCHEMA DI FORATURA PER PIASTRE
TUBIERE,DIAFRAMMI,CASSA E DISTRIBUTORE
FORATURA PIASTRA TUBIERA,DIAFRAM M I,FLANGE
LE FORATURE SONO ESEGUITE SULLA
FRESATRICE VERTICALE CON VISUALIZZATORE
DIGITALE DI QUOTE CHE PERMETTE DI
OTTENERE TOLLERANZE CENTESIMALI SUGLI
INTERASSI DEI FORI. CIO’ E’ INDISPENSABILE PER
UN CORRETTO E AGEVOLE MONTAGGIO DEL
FASCIO TUBIERO.
Pos .
X
Y
Pos .
X
Y
A
0
8834
26
-37
-20,78
B
0
-88,34
27
-13
-20,78
C
61
0
28
13
-20,78
D
-61
0
29
37
-20,78
1
-48
67,56
30
61
-20,78
2
-24
67,56
31
85
-20,78
3
0
67,56
32
-60
-48,76
4
24
67,56
33
-36
-48,76
5
48
67,56
34
-12
-48,76
6
-60
46,78
35
12
-48,76
7
-36
46,78
36
36
-48,76
8
-12
46,78
37
60
-48,76
9
12
46,78
38
-48
-67,56
10
36
46,78
39
-24
-67,56
11
60
46,78
40
0
-67,56
12
-85
20,78
41
24
-67,56
13
-61
20,78
42
48
-67,56
14
-37
20,78
100
158,41
33,9
15
-13
20,78
101
92,63
92,63
16
13
20,78
102
33,9
158,41
17
37
20,78
103
-33,9
158,41
18
61
20,78
104
-92,63
92,63
19
85
20,78
105
-158,41
33,9
20
-49
0
106
-158,41
-33,9
21
-25
0
107
-92,63
-92,63
22
25
0
108
-33,9
-158,41
23
49
0
109
33,9
-158,41
24
-85
-20,78
110
92,63
-92,63
25
-61
-20,78
111
158,41
-33,9
15
SCAMBIATORE DI CALORE
3-4-DISTRIBUTORE E CASSA DI RITORNO
cartellino di lavorazione
16
SCAMBIATORE DI CALORE
3-DISTRIBUTORE: è un involucro flangiato, atto a contenere
il fluido da riscaldare,al suo interno sono
saldati i setti ripartitori del flusso.
E’ chiuso da un fondo piano che porta i
boccagli di entrata e uscita.
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SCAMBIATORE DI CALORE
4-CASSA DI RITORNO: è un involucro flangiato, atto a
contenere il fluido da riscaldare,al suo interno sono
saldati i setti ripartitori del flusso.E’ chiuso da un fondo
piano saldato a piena penetrazione.
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SCAMBIATORE DI CALORE
5-SETTI RIPARTITORI DEL FLUSSO:sono dei piatti
saldati all’interno del distributore e della cassa.Sono disposti
in modo da ottenere uno scambiatore a quattro passaggi.
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SCAMBIATORE DI CALORE
6-FONDI PIANI
cartellino di lavorazione
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SCAMBIATORE DI CALORE
6-FONDI PIANI:sono saldati al distributore e alla cassa.
Sul fondo del distributore sono saldati i
boccagli di entrata e uscita del fluido.
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SCAMBIATORE DI CALORE
7-PIASTRE TUBIERE
cartellino di lavorazione
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SCAMBIATORE DI CALORE
7-PIASTRE TUBIERE:sono l’elemento di separazione dei
due fluidi. Nei fori nella parte centrale
sono mandrinati i tubi interni.I fori
nella parte esterna servono per il
fissaggio del distributore e della cassa
mediante tiranti e dadi.
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SCAMBIATORE DI CALORE
8-DIAFRAMMI
cartellino di lavorazione
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SCAMBIATORE DI CALORE
8-DIAFRAMMI:sono dischi di lamiera forata tagliati al 25%.
Montati in senso alternato, costringono il
fluido ad un movimento vorticoso,che
incrementa lo scambio termico.
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SCAMBIATORE DI CALORE
9-FASCIO TUBIERO
cartellino di lavorazione
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SCAMBIATORE DI CALORE
9-FASCIO TUBIERO:è composto dai tubi interni e dalla
gabbia dei diaframmi bloccati tra di
loro dai tiranti e dai distanziali.
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SCAMBIATORE DI CALORE
10-ASSEMBLAGGIO DEL FASCIO TUBIERO
cartellino di lavorazione
28
SCAMBIATORE DI CALORE
10-ASSEMBLAGGIO DEL FASCIO TUBIERO:
si posizionano i tiranti nei fori filettati della piastra tubiera,si
montano in sequenza i distanziali,i diaframmi alternando un
destro e un sinistro.Si blocca il fascio tubiero con doppi dadi.
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SCAMBIATORE DI CALORE
11-ASSEMBLAGGIO MANTELLO -PIASTRE TUBIERE
cartellino di lavorazione
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SCAMBIATORE DI CALORE
11-ASSEMBLAGGIO MANTELLO -PIASTRE TUBIERE
Dopo aver infilato il fascio tubiero nel mantello, si posiziona
la seconda piastra tubiera,si infilano i tubi interni, si saldano
le piastre tubiere a piena penetrazione ed i supporti al mantello.
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SCAMBIATORE DI CALORE
12-ASSIEMATURA DISTRIBUTORE E CASSA
cartellino di lavorazione
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SCAMBIATORE DI CALORE
12-ASSIEMATURA DISTRIBUTORE E CASSA:
si saldano i fondi piani a piena penetrazione , i setti ripartitori
del flusso ed i boccagli.E’ necessario tornire nuovamente le
superfici di contatto delle guarnizioni per una corretta tenuta.
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SCAMBIATORE DI CALORE
13-GUARNIZIONI
cartellino di lavorazione
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SCAMBIATORE DI CALORE
13-GUARNIZIONI:
servono per la tenuta degli accoppiamenti flangiati.
Sono ricavate da fogli di fibra minerale esente amianto
dello spessore di 3 mm.
.
35
SCAMBIATORE DI CALORE
14-15:MANDRINATURA DEI TUBI E PROVA
PNEUMATICA DI TENUTA
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SCAMBIATORE DI CALORE
14-MANDRINATURA DEI TUBI: per evitare il trafilaggio
dei liquidi dal mantello ai tubi e viceversa ,si esegue la
mandrinatura di tenuta,che consiste nell'allargare i tubi nei loro
fori con un apposito mandrino a rulli conici.
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SCAMBIATORE DI CALORE
15-PROVA PNEUMATICA DI TENUTA DEL MANTELLO:
per controllare la mandrinatura dei tubi e la tenuta delle saldature
si immette nel mantello aria compressa alla pressione di 0,5 bar
controllando le perdite con acqua saponata e con un manometro,
che non deve segnalare cadute di pressione.
In caso di perdite, si ripete la mandrinatura fino a tenuta.
.
38
SCAMBIATORE DI CALORE
16-PROVA PNEUMATICA DI TENUTA LATO TUBI
cartellino di lavorazione
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SCAMBIATORE DI CALORE
16-PROVA PNEUMATICA DI TENUTA LATO TUBI:
per controllare la tenuta delle saldature e del giunto flangiato
si immette aria compressa alla pressione di 0,5 bar, controllando
le perdite con acqua saponata e con un manometro che non deve
segnalare perdite di pressione.
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SCAMBIATORE DI CALORE
17-PROGETTAZIONE COMPONENTI TUBAZIONI DI
COLLEGAMENTO:
elaborazione del lay-out dell’impianto,verifica dei percorsi
delle tubazioni,prove di assemblaggio.
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SCAMBIATORE DI CALORE
18-APPRONTAMENTO COMPONENTI TUBAZIONI
DI COLLEGAMENTO
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SCAMBIATORE DI CALORE
18-APPRONTAMENTO COMPONENTI TUBAZIONI
DI COLLEGAMENTO
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SCAMBIATORE DI CALORE
18-APPRONTAMENTO COMPONENTI TUBAZIONI
DI COLLEGAMENTO :
costruzione delle parti speciali,filettatura dei tubi,saldatura e
aggiustaggio delle tubazioni sull’impianto,montaggio delle
valvole,delle pompe e dei misuratori di portata.
Prova idraulica di tenuta delle giunzioni saldate e filettate.
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SCAMBIATORE DI CALORE
19-COLLAUDO FINALE :
Identificazione strumenti,prova idraulica finale.
Prove di funzionamento.
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SCAMBIATORE DI CALORE
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SCAMBIATORE DI CALORE
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SCAMBIATORE DI CALORE
RITORNO ALLA DIAPOSITIVA n°1
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