Università di Roma – Tor Vergata
Facoltà di Ingegneria – Dipartimento di Ingegneria Industriale
Corso di:
“TERMOTECNICA 1”
SCAMBIATORI DI CALORE
Ing. G. Bovesecchi
[email protected]
06-7259-7127 (7249)
Anno Accademico 2012-2013
Scambiatori di calore
Si tratta di dispositivi che consentono il trasferimento di calore,
in genere tra due fluidi, direttamente o attraverso una parete
solida di separazione.
La trasmissione del calore avviene per convezione tra i fluidi e
la parete e per conduzione attraverso la parete stessa.
Non si prendono in considerazione scambi termici per
irraggiamento, tranne casi particolari, quali alcuni scambiatori
per uso spaziale, dove non vi è aria, o i radiatori.
Gli scambiatori possono essere classificati in base ad alcune
caratteristiche importanti.
Scambiatori di calore
Classificazione sulla base del processo di scambio
Gli scambiatori possono essere a scambio diretto, quando la
trasmissione del calore avviene per contatto diretto tra i due
fluidi (ad esempio le torri evaporative), o indiretto, se vi è una
parete di separazione tra i due fluidi, o infine per scambio
rigenerativo, con un flusso intermittente tra fluido caldo e
freddo attraverso un materiale intermedio che viene utilizzato
per l’accumulo termico.
Scambiatori di calore
Classificazione sulla base del rapporto superficie volume
Gli scambiatori si considerano compatti se il rapporto superficie
volume è superiore a 700 m2/m3. Come esempio si consideri che
i radiatori delle autovetture hanno un rapporto di compattezza
dell’ordine di 1100 m2/m3 e alcuni scambiatori in vetroceramica
per turbine a gas arrivano a 6600 m2/m3. La maggiore
compattezza è quella dei polmoni umani (20000 m2/m3) quasi
raggiunta da quella dei rigeneratori dei motori Sterling.
Uno dei sistemi per ottenere una buona compattezza è quella di
inserire un’alettatura sulla parete di separazione, se almeno uno
dei due fluidi è un gas.
Scambiatori di calore
Classificazione in base al tipo di costruzione
Si distinguono i seguenti tipi:
  tubolari (o a tubi e fasciame, o tubi e mantello)
  a piastre (la compattezza arriva sino a 230 m2/m3)
  a piastre o tubi alettati (compattezza sino a 6000 m2/m3).
Scambiatori di calore
Classificazione in base alla configurazione di moto
Sono possibili le seguenti configurazioni:
  in equicorrente : i due fluidi scorrono in parallelo
  in controcorrente: i due fluidi scorrono in direzione parallela,
ma in senso opposto
  a flusso incrociato, se i due fluidi formano un angolo
all’incirca retto tra di loro.
In tale ultima configurazione i due fluidi possono essere
entrambi non miscelati, se si suddividono in sottocorrenti che
non si rimescolano prima dell’uscita dallo scambiatore, uno
miscelato e l’altro no, o entrambi miscelati; tale ultima
configurazione è molto meno probabile.
Scambiatori di calore
Classificazione in base al meccanismo di scambio termico
Possono eesere a:
  convezione naturale o forzata;
  irraggiamento, o irraggiamento e convezione combinati (ad
esempio i radiatori domestici);
  cambiamento di fase, condensazione o ebollizione. Tali
ultimi tipi prendono il nome di condensatori e generatori di
vapore.
I condensatori vengono utilizzati per la condensazione del
vapore in uscita dalle turbine negli impianti termoelettrici basati
sul ciclo Rankine (o Hirn), per impianti chimici, veicoli spaziali,
etc.
Tipi di scambiatore
Scambiatori a tubi coassiali: la disposizione può essere in
equicorrente o controcorrente. I tubi possono essere alettati sia
dal lato interno che esterno (chiaramente solo se c’è
convenienza a inserire le alette, cioè se i fluidi sono aeriformi.
Per aumentarne la compattezza si dispongono in genere come in
figura. La compattezza comunque è difficile che possa superare
i 15÷20 m2/m3.
!
Tipi di scambiatore
Scambiatori a fascio tubiero: ci sono dei tubi mandrinati su due
piastre tubiere, il tutto alloggiato all’interno di un fasciame (o
mantello). All’interno del fasciame sono posti in genere dei
diaframmi, piastre forate che hanno il duplice scopo di sostenere
i tubi e di far effettuare al fluido esterno ai tubi (lato mantello)
un percorso più tortuoso in modo che la superficie dei tubi
interessata allo scambio risulti maggiore (cioè per evitare le
sacche di ristagno del fluido dal lato mantello) e per aumentare
la turbolenza e conseguentemente il coefficiente di scambio
convettivo.
Tipi di scambiatore
!
Tipi di scambiatore
Tipi di scambiatore
!
Sempre dal lato mantello, con degli opportuni setti divisori
orizzontali si può far percorrere al fluido più volte il percorso
dall’ingresso all’uscita.
Tipi di scambiatore
Più percorsi sono possibili anche dal lato tubi, sempre con setti
separatori questa volta sulle camere di inversione (sono i due
spazi delimitati dal mantello e dalle piastre tubiere). Ad esempio
viene definito uno scambiatore 2-4 quello che presenta due
passaggi dal lato mantello e quattro dal lato tubi.
!
Tipi di scambiatore
Un passaggio doppio dal lato tubi si può effettuare anche
mediante tubi piegati a U. Il numero dei passaggi è scelto in
modo tale da ottimizzare il compromesso tra alta turbolenza (e
quindi elevato coefficiente di scambio convettivo h) e elevata
perdita di carico (e quindi maggiori spese di pompaggio).
!
Tipi di scambiatore
Tipi di scambiatore
Scambiatori a piastre
Sono costituiti da una serie di piastre metalliche opportunamente
corrugate (per convogliare il flusso e aumentare la turbolenza)
con quattro fori, forniti di guarnizioni generalmente di gomma,
per far effettuare ai due fluidi il percorso voluto. Le guarnizioni
sono sistemate in modo tale che l’intercapedine tra due piastre
successive sia occupata da un fluido mentre l’intercapedine
successiva dall’altro fluido.
Tipi di scambiatore
!
!
Tipi di scambiatore
!
Tipi di scambiatore
La disposizione delle piastre e delle guarnizioni realizza una
configurazione in controcorrente quasi perfetta.
Vantaggi:
1.  possono essere smontati per manutenzione e pulizia;
2.  si possono aggiungere o togliere piastre per compensare
maggiori o minori fabbisogni di superficie di scambio;
3.  si riesce a produrre un’alta turbolenza, con ristagno quasi nullo
nelle zone morte (scarso sporcamento degli interstizi);
4.  a causa della doppia guarnizione le eventuali perdite di fluido
da una guarnizione è difficile che contaminino l’altro fluido;
5.  si realizza un tempo di permanenza entro il volume di scambio
molto uniforme, per cui risultano anche adatti a trattamenti
particolari dei fluidi, come cottura di alimenti, o sterilizzazione
o pastorizzazione;
Tipi di scambiatore
6.  la forma particolare che li contraddistingue consente una
facile produzione per stampaggio, e quindi costi contenuti.
Svantaggi:
1.  a causa delle guarnizioni in gomma possono essere utilizzati
al massimo sino a 150 °C e sino a 15 bar.
2.  per certi modelli il costo può risultare non così conveniente
rispetto ad altri tipi.
Le dimensioni caratteristiche variano tra 0,032 m2 di superficie
delle piastre sino a 3,63 m2.
Tipi di scambiatore
Scambiatori a flussi incrociati
Sono in genere costituiti da tubi alettati, anche mediante
alettatura continua (costituita da un’unica lastra forata saldata o
giuntata ai tubi che passano nei fori).
Da come sono costruiti
risulta chiaro che il moto
del fluido esterno al tubi
è perpendicolare al tubo
stesso, e quindi il flusso
risulta incrociato.
Sono per lo più utilizzati
per scambio termico tra
un liquido (intero ai tubi)
e un aeriforme (all’esterno).
!
Tipi di scambiatore
oppure tra due aeriformi.
!
Al primo di questi tipi (scambiatori tra un liquido e un aeriforme)
appartengono i radiatori delle autovetture.
Tipi di scambiatore
Scambiatori compatti
Realizzano elevata compattezza, superiore a 700 m2/m3 grazie in
genere all’alettatura o ad una serie di passaggi di uno od entrambi
i fluidi. A questa categoria appartengono anche gli scambiatori a
piastre.
Rigeneratori
Lo scambio termico è realizzato facendo fluire alternativamente
le due correnti (il fluido caldo e quello freddo) attraverso
un’opportuna matrice (in genere metallica) che assorbe calore da
un fluido e lo cede all’altra. Possono essere di tipo rotativo o
alternativo.
Vantaggi: dimensioni ridotte, economicità di costruzione e un
effetto di autopulizia per l’avvicendarsi delle correnti nella stessa
zona della matrice a causa del moto alternato. Svantaggi: parziale
miscelamento di un fluido con l’altro, difficoltà di tenuta a causa
del movimento della matrice rispetto alle correnti.
Tipi di scambiatore
!
Dimensionamento degli scambiatori
Il problema principale degli scambiatori di calore è la loro
progettazione, cioè la determinazione delle caratteristiche
geometriche o di flusso che debbono avere per risolvere il
problema di scambio termico per cui vengono impiegati.
Esistono due tipi di progettazione:
  dimensionamento, o size problem, cioè date le condizioni
imposte ai fluidi (tipo di fluido, temperature di ingresso e di
uscita, flusso termico da scambiare, portate), di debbono
determinare le dimensioni che deve avere lo scambiatore per
assolvere il suo compito;
  verifica di funzionamento, o rate problem, cioè dato uno
scambiatore (forma e dimensioni) e conoscendo le portate e le
temperature di ingresso dei due fluidi, occorre determinare il
flusso termico scambiato e le temperature di uscita.
Dimensionamento degli scambiatori
Esistono due metodi utilizzati normalmente per il calcolo degli
scambiatori:
  il metodo della differenza di temperatura media logaritmica
(ΔTml), studiato specificamente per il size problem;
  il metodo ε-NTU, adatto al rate problem.
Prenderemo anche in esame il metodo ψ-P, che raggruppa
insieme i due metodi precedenti, e può essere utilizzato per ogni
necessità di calcolo.
Dimensionamento degli scambiatori
Si faranno le seguenti ipotesi:
1.  i fluidi scambiano calore in regime permanente;
2.  la conduttività termica è uniforme su tutta la superficie di
scambio;
3.  il calore specifico dei due fluidi è costante (oppure uno dei
due è costante e l’altro è infinito, cioè la temperatura è
costante come nelle transizioni di fase);
4.  lo scambiatore è considerato ideale, cioè vengono considerate
trascurabili le perdite di calore verso l’esterno, rispetto al
calore ceduto dal fluido caldo a quello freddo;
5.  non vi sono sorgenti termiche all’interno dello scambiatore;
6.  la velocità dei due fluidi è considerata uniforme;
7.  la conduzione longitudinale (cioè lungo la direzione di
scorrimento dei due fluidi) è trascurabile.
Dimensionamento degli scambiatori
Occorre innanzi tutto considerare che negli scambiatori, il flusso
termico scambiato può essere espresso in tre modi differenti,
secondo che si consideri:
  il flusso ceduto dal fluido caldo,
  quello assorbito dal fluido freddo;
  quello trasmesso da quello caldo a quello freddo.
Tali tre flussi devono coincidere se è considerata valida l’ipotesi
4. Inoltre è possibile esprimere questi flussi sia in termini finiti
(considerando il flusso totale scambiato) o differenziali
(considerando il flusso infinitesimale scambiato in una sezione
dello scambiatore).
Dimensionamento degli scambiatori
In termini infinitesimali:
dQ1 = − m c c cpdT c
dQ 2 = ± m f c pf dT f
(
dQ 3 = UdA T c − T f
)
dove T c e T f sono rispettivamente le temperature del fluido caldo
e di quello freddo nella sezione dello scambiatore che si sta
esaminando. In figura sono riportate le quantità sopra elencate
per scambiatori a tubi coassiali nelle due configurazioni in
equicorrente e in controcorrente. Il segno ± nella seconda
equazione si riferisce rispettivamente allo scambiatore in
equicorrente o controcorrente della figura.
Dimensionamento degli scambiatori
Integrando le precedenti espressioni si ottengono le analoghe
quantità finite
Q1 = m c c cp Ti c − Tuc
Q 2
(
= m c (T
f
p
f
(
u
)
f
− Ti f
Q 3 = UA T c − T f
)
)
Scopo della trattazione al fine di determinare le temperature e i
flussi incogniti, è calcolare la differenza di temperatura media tra
fluido caldo e freddo che compare nell’ultima relazione sopra
scritta.
Dimensionamento degli scambiatori
!
!