6.1 Scambio termico 6.1.1 Introduzione Lo studio dei fenomeni di scambio termico si può ricondurre a due variabili: la temperatura e il flusso di calore. La temperatura indica l’energia molecolare media di un sistema; il flusso di calore indica lo scambio di energia termica da un corpo a un altro. Su scala microscopica l’energia termica è legata all’energia cinetica delle molecole; la temperatura di un materiale è tanto più alta, quanto più elevata è l’agitazione termica delle molecole che lo costituiscono. In virtù del secondo principio della termodinamica i corpi che hanno una maggiore energia cinetica molecolare media cedono spontaneamente questa energia ai corpi che hanno un’energia cinetica molecolare media minore. I flussi di calore tra due regioni dipendono da svariate proprietà materiali, tra cui conduttività termica, calore specifico, densità, emittività superficiale. Nel caso del trasporto di calore in un fluido sono molto importanti la sua velocità di flusso e la sua viscosità. Il meccanismo di trasferimento di calore può essere di tre tipi: per conduzione, per convezione e per irraggiamento. Il trasferimento per conduzione avviene nei solidi e nei fluidi in quiete o in moto laminare. È definito come un processo di carattere molecolare nel quale parte dell’energia delle molecole della porzione più calda di un mezzo materiale (la cui energia molecolare media è pertanto maggiore) si trasferisce alle molecole di una porzione più fredda, senza che abbia luogo trasporto di materia. Tale processo ha luogo per effetto di collisioni molecolari dirette, in seguito all’azione di vibrazioni e urti. Nei metalli una porzione significativa dell’energia termica viene trasferita grazie al movimento degli elettroni di conduzione. La convezione è definita come il processo macroscopico, che ha luogo solo nei fluidi, nel quale il fluido più caldo si sposta (o viene fatto spostare) in zone del fluido a temperatura inferiore, rimescolandosi e cedendo parte della propria energia termica. Se il moto del fluido è unicamente generato dalle differenze di densità provocate dalle differenze di temperatura, la convezione si dice naturale; se il moto del fluido è prodotto meccanicamente, la convezione viene detta forzata. L’irraggiamento è il trasferimento di calore da un corpo a un altro che avviene per emissione e assorbimento di energia raggiante. Tutti i corpi emettono energia raggiante in tutte le direzioni, in quantità che dipendono dalla loro temperatura. In VOLUME V / STRUMENTI questo caso l’energia è trasportata dai fotoni della radiazione elettromagnetica appartenenti essenzialmente alla regione infrarossa e visibile dello spettro elettromagnetico. Quando le temperature sono uniformi, il flusso radiativo tra oggetti è in condizioni di equilibrio e quindi non avviene alcun trasferimento netto di energia termica. Quando le temperature non sono uniformi, il flusso radiativo provoca un trasporto dell’energia termica dalle superfici più calde a quelle più fredde. In molti casi i processi di scambio termico possono avvenire grazie al contributo di tutti e tre i meccanismi sopra citati. 6.1.2 Conduzione La legge fondamentale che regola il trasferimento di calore per conduzione fu formulata nel 1822 da Jean-Baptiste-Joseph Fourier: [1] q = − kA dT dx dove q rappresenta il calore trasferito per unità di tempo, A è l’area della sezione del corpo normale all’asse lungo cui fluisce il calore, ⫺dTⲐdx è il gradiente di temperatura nella direzione di flusso del calore, e k è un parametro fisico, detto conducibilità termica, che dipende dalle caratteristiche materiali del corpo e che solitamente varia con la temperatura. La tab. 1 riporta i valori della conducibilità di alcuni solidi e quello della temperatura a cui tali valori sono stati misurati. In molti casi si assume che k vari con la temperatura secondo una relazione lineare del tipo: [2] k = k0 (1+ α T ) Spesso conviene riferirsi a un suo valore medio relativo all’intervallo di temperatura in gioco. Il coefficiente k ha, nel caso dei fluidi, valori molto più piccoli di quelli misurati per i solidi, come si può osservare dalla tab. 2. Nei casi in cui manchino dati sperimentali, la conducibilità termica può essere stimata con buona approssimazione impiegando relazioni empiriche che correlano k con il calore specifico, il peso molecolare e la viscosità del fluido. La [1] può essere utilizzata per derivare l’equazione tridimensionale non stazionaria per la trasmissione del calore nei solidi e nei fluidi in quiete: 303 ASPETTI PROCESSISTICI Conduzione stazionaria tab. 1. Conducibilità termica di alcuni solidi Materiale Temperatura (°C) Conducibilità (kJ/h⭈m⭈°C) 18 1.053,785 100 1.060,07 18 243,02 100 228,355 18 163,41 100 161,315 0-100 574,03 – 0,155 Quando il flusso di calore è stazionario, q nella equazione di Fourier è una costante. Allo stesso modo, ⭸TⲐ⭸t nella [3] si annulla. Assumendo k costante, la [3] diventa: [4] Oro Ferro puro Acciaio (1% C) Magnesio Sughero [3] cp r ∂ ∂T ∂ ∂T ∂ ∂T ∂T T k + k + = k + q⬘ ∂t ∂x ∂x ∂y ∂y ∂z ∂z dove cp è il calore specifico a pressione costante del corpo, r è la sua densità, x, y e z rappresentano le coordinate rettangolari e q⬘ indica la velocità di generazione di calore – per unità di volume del corpo – dovuta a reazione chimica o nucleare, o provocata dal passaggio di corrente elettrica. È necessario specificare opportune condizioni iniziali e al contorno per poter ottenere la soluzione della [3], che fornisce la temperatura nel corpo in funzione del tempo e della posizione. La [3] può essere trasformata in coordinate sferiche o cilindriche per adattarsi meglio alla geometria del problema allo studio. Si osservi che, se k deve essere considerata come una funzione della temperatura, la [3] diventa non lineare, e quindi non è più risolvibile analiticamente, a eccezione di pochi casi particolari. tab. 2. Conducibilità termica di alcuni fluidi Temperatura (°C) Conducibilità (kJ/h⭈m⭈°C) ⫺15/⫹30 1,80 30 0,59 60 0,54 Glicerina 20 1,02 Alcol etilico 20 0,65 Alcol metilico 20 0,78 Ammoniaca liquida q⬘ k In assenza di generazione di calore (q⬘⫽0) è possibile integrare direttamente la [1], ottenendo: [5] q = kA T1 − T2 x1 − x2 Variando opportunamente le coordinate, si ottiene la soluzione del problema della conduzione del calore in diverse situazioni di importanza pratica. Per studiare il caso della conduzione radiale in un cilindro cavo, si indica con L la lunghezza del cilindro, con Ri e Re i suoi raggi interno ed esterno e con Ti e Te le temperature della faccia interna e di quella esterna. Il flusso di calore attraverso uno strato elementare a distanza R dall’asse del cilindro e di spessore dR (fig. 1) è dato da: dT dR Separando le variabili e integrando si ottiene: k 2pL Ti − Te [7] q= R ln e Ri È anche possibile esprimere il flusso radiale come se avvenisse attraverso uno strato piano equivalente di spessore (Re⫺Ri) e area Aeq: [6] q = − k 2pRL ) ( [8] q= kAeq (Ti − Te ) Re − Ri con [9] Aeq = 2pLRlm dove Rlm è il raggio medio logaritmico definito come [10] Fluido ∇ 2T = − Rlm = Re − Ri ( ln Re Ri ) Benzene Acqua 0 2,14 38 2,26 93 2,45 ⫺200 0,18 0 0,60 0 0,05 Ti Te R L dR Ri Re Idrogeno Biossido di carbonio 304 fig. 1. Trasmissione del calore per conduzione in un cilindro cavo. ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI SCAMBIO TERMICO Per risolvere il problema relativo alla conduzione radiale attraverso uno strato sferico, si indicano con Ri e Re i raggi interno ed esterno dello strato e con Ti e Te le temperature delle corrispondenti superfici. Il calore trasmesso attraverso uno strato elementare a distanza R dal centro della sfera e di spessore dR è dato da: [11] q = − k 4pR 2 dT dR ovvero Rn Ri Ti − Tn = k1 2pL q ln [21] e per il cilindro B: [22] q= Separando le variabili e integrando si ottiene: [12] q= ( 4pkRi Re Ti − Te ) Aeq = 4pRi Re = Ai Ae cioè è la media geometrica delle superfici interna ed esterna dello strato sferico. Un altro caso di notevole interesse pratico è quello della trasmissione attraverso una serie di conduttori di uguale superficie; si faccia, per esempio, riferimento a tre pareti piane consecutive, aventi aree A1, A2, A3, spessori x1, x2, x3, conducibilità k1, k2, k3, e siano DT1, DT2, DT3 i salti di temperatura tra le superfici che delimitano le pareti. Poiché il flusso di calore attraverso ciascuna delle tre pareti deve essere il medesimo, si ha: [14] k1 A1∆T1 k2 A2 ∆T2 k3 A3 ∆T3 = = x1 x2 x3 q= Definendo per ciascuna parete una resistenza termica: [15] r= x kA si ottiene: [16] ∆T1 = qr1 ∆T2 = qr2 ∆T3 = qr3 e sommando tra loro i singoli DTi si ottiene: [17] q ( r1 + r2 + r3 ) = ∆T1 + ∆T2 + ∆T3 = ∆T ovvero: [18] q= ∑ ∆T = T − T i i rT e rT dove rT rappresenta la resistenza complessiva data dalla somma delle singole resistenze: [19] rT = r1 + r2 + ...+ rn La [17] è analoga alla legge di Ohm per un sistema di resistenze in serie. Un esempio di trasmissione del calore attraverso una serie di conduttori di sezione variabile è dato dal sistema formato da due cilindri concentrici A e B di uguale lunghezza L e conducibilità k1 e k2, considerate costanti. La temperatura della superficie più interna è Ti , quella della superficie in corrispondenza della quale i due cilindri sono a contatto è Tn e quella della superficie più esterna è Te. Per il cilindro A è: [20] q= ( k1 2pL Ti − Tn VOLUME V / STRUMENTI R ln n Ri ) ) R ln e Rn ovvero: Re − Ri Anche in questo caso si può esprimere il calore trasmesso attraverso uno strato piano equivalente di spessore (Re⫺Ri ). La superficie equivalente è data da: [13] ( k2 2pL Tn − Te Re Rn Ti − Te = k2 2pL q ln [23] pertanto [24] q= [25] q= ( 2pL Ti − Te ) 1 Rn 1 Re ln + ln k1 Ri k2 Rn Se invece si considera un sistema di due sfere cave si ricava: ( 4p Ti − Te ) Rn − Ri Re − Rn + k1 Ri Rn k2 Rn Re Se la temperatura di un materiale è funzione di due coordinate spaziali, si ha il caso della conduzione di tipo bidimensionale e la relativa equazione, avendo assunto k costante, è: [26] ∂ 2T ∂ 2T q⬘ + 2 =− 2 ∂x ∂y k Se q⬘ è nullo, la [26] diventa l’equazione di Laplace, la cui soluzione analitica è possibile soltanto per condizioni al contorno e geometrie particolari (Carslaw e Jaeger, 1959). Quando non è possibile ottenere una soluzione analitica, si impiegano soluzioni grafiche o numeriche, utilizzando per esempio i metodi alle differenze finite. Conduzione non stazionaria Quando le temperature dei materiali sono funzioni dello spazio e del tempo, sono necessarie equazioni più complesse di quelle introdotte in precedenza. L’equazione più generale è la [3], tridimensionale non stazionaria. Nella maggior parte dei casi le soluzioni ai problemi pratici che coinvolgono fenomeni di conduzione non stazionaria richiedono l’impiego di soluzioni numeriche da sviluppare al computer. È possibile recuperare in letteratura un’ampia casistica per problemi corrispondenti a svariate geometrie e condizioni al contorno. I problemi monodimensionali si esprimono tramite le seguenti equazioni: [27] ∂ 2T q⬘ ∂T =α 2 + c ∂t r ∂x p valida per coordinate rettangolari; ∂T α ∂ ∂T q⬘ = + R ∂t R ∂R ∂R c p r valida per coordinate cilindriche, e [28] ∂T α ∂ 2 ∂T q⬘ = + R ∂t R 2 ∂R ∂R c p r valida per coordinate sferiche. [29] 305 ASPETTI PROCESSISTICI Nelle ultime tre equazioni è stato introdotto il parametro a, detto anche diffusività termica, definito come: k cp r Queste equazioni sono state risolte nei casi della lastra piana, del cilindro e della sfera immersi in un fluido. Le soluzioni sono ottenute sotto forma di serie infinite e i risultati sono solitamente riportati in grafico sotto forma di curve caratterizzate da quattro rapporti adimensionali che, nel caso in cui q⬘⫽0, sono (Gurney e Lurie, 1923): [31] Y= T ⬘− T kt X = rc p Rm2 T ⬘ − T0 [32] m= k hT Rm n= R x oppure n = Rm Rm dove T ⬘ è la temperatura dell’ambiente; T0 è la temperatura iniziale uniforme del corpo; T è la temperatura del corpo in un determinato punto, al tempo t, misurato dall’inizio del processo di raffreddamento o riscaldamento; k è la conducibilità termica del corpo che si assume uniforme e costante al variare della temperatura; r è la densità del corpo che si assume uniforme; cp è il calore specifico del corpo; hT è il coefficiente globale di trasferimento di calore tra l’ambiente e la superficie del corpo, espresso come calore trasferito per unità di tempo, per unità di area della superficie e per unità di differenza di temperatura tra la superficie e l’ambiente; R è la distanza che intercorre, nella direzione in cui viene trasmesso il calore, dal punto o dal piano a metà del corpo al punto in esame; Rm è il raggio della sfera o del cilindro, metà dello spessore della lastra scaldata da entrambi i lati, spessore della lastra scaldata da un lato e perfettamente isolata dall’altro; x è la distanza che intercorre, nella direzione lungo cui viene trasmesso il calore, dalla superficie di un corpo seminfinito al punto in esame. Solitamente, nell’eseguire le integrazioni, cp, hT , k, R, Rm, T⬘, x e r sono assunti costanti. fig. 2. Soluzione 1,0 del problema della conduzione non stazionaria per una lastra indefinita di spessore 2Rm. 0,7 0,5 [33] dQ = hA (T − T ⬘) dt Nelle condizioni poste il valore numerico di h è relativamente piccolo e la corrispondente velocità di trasferimento di calore per area unitaria è quindi anch’essa piccola. Di conseguenza, se il valore della conducibilità k è elevato e la lastra è sottile, la temperatura della lastra si può considerare uniforme, e sviluppando un bilancio termico si ottiene: [34] ) ( dQ = hA T − T ⬘ dt = −V rc p dT Assumendo hAⲐV rcp costante, la [34] può essere facilmente integrata ottenendo: hA [35] − t T − T⬘ V rc =e p T0 − T ⬘ 6.1.3 Convezione Il trasporto del calore nei fluidi è agevolato dalla possibilità di rimescolamento del fluido stesso. Nel caso della convezione m⫽⬁ m⫽6 0,3 (T'⫺T)/(T'⫺T0) 0,2 n⫽1 n⫽0,8 n⫽0,6 n⫽0,4 n⫽0,2 n⫽0 n⫽1 n⫽0,8 n⫽0,6 n⫽0,4 n⫽0,2 n⫽0 0,1 0,07 0,05 0,03 0,02 n⫽1 n⫽0,8 n⫽0,6 n⫽0,4 n⫽0,2 n⫽0 n⫽0,8 n⫽0,6 n⫽0,4 n⫽0,2 n⫽0 0,01 0,007 0,005 0,003 0,002 m⫽0,5 m⫽0 0 1,0 2,0 m⫽2 α= m⫽1 [30] In fig. 2 sono riportati i risultati nel caso di una lastra indefinita; tali risultati vengono espressi riportando famiglie di curve, corrispondenti a diversi valori di m e n, in cui Y è riportato in scala logaritmica sull’asse delle ordinate e X in scala lineare sull’asse delle ascisse; risultati analoghi si ottengono nel caso di un cilindro e di una sfera. Il problema della conduzione attraverso una lastra immersa in un fluido si semplifica notevolmente se la lastra è così sottile e il materiale ha conducibilità termica così elevata che la temperatura, su tutto lo spessore della lastra, possa essere considerata costante. Si supponga che la lastra abbia volume V, superficie totale A, temperatura iniziale T0, e sia in contatto con aria più fredda a una temperatura uniforme T⬘; a ogni istante la quantità di calore dQ trasferita nel tempo dt è proporzionale alla superficie A, alla differenza tra la temperatura T della lastra e quella dell’aria attraverso il coefficiente h: 3,0 4,0 5,0 a⭈t/R2m 306 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI SCAMBIO TERMICO naturale tali movimenti di rimescolamento derivano dalle differenze di densità nella massa fluida, dovute alle diverse temperature presenti nei vari punti. I movimenti possono però anche essere prodotti meccanicamente tramite agitazione, oppure tramite il moto di un fluido in un condotto: in questi due casi si dice che il calore viene trasmesso per convezione forzata. Quest’ultima è la situazione più comune nelle industrie di processo, dove spesso un fluido caldo e uno freddo, separati da una parete, vengono pompati attraverso l’apparecchiatura di scambio termico. Nello studio dei meccanismi che controllano lo scambio di calore in un’apparecchiatura di questo tipo bisogna tenere conto del fatto che nel moto di un fluido attorno a un solido, anche quando il cuore del fluido è in moto turbolento, si crea, nelle vicinanze immediate della superficie, un film in cui il fluido è in flusso laminare. Nella zona del film laminare il calore viene trasferito prevalentemente tramite conduzione molecolare. La resistenza dello strato laminare al flusso di calore varia con il suo spessore, e può essere responsabile del 95% della resistenza totale per alcuni fluidi, o soltanto dell’1% per altri. Il cuore turbolento del fluido e lo strato di transizione compreso tra zona turbolenta e film laminare offrono una resistenza al trasferimento del calore che è funzione della turbolenza e delle proprietà termiche del fluido. È quindi possibile concludere che in questo caso il flusso complessivo di calore è in realtà l’effetto di diversi meccanismi, in cui la conduzione agisce congiuntamente a effetti convettivi. Lo studio dei problemi di convezione naturale richiederebbe la soluzione simultanea delle equazioni accoppiate di bilancio della quantità di moto e dell’energia, ma questo approccio rigoroso è possibile solo per il problema geometricamente molto semplice del piatto verticale. Si ricorre allora ai metodi dell’analisi dimensionale che trovano in generale amplissima applicazione nello studio dei problemi di scambio termico. Essi permettono di determinare le espressioni per i coefficienti liminari di scambio, facendo ricorso a parametri adimensionali: i parametri geometrici del problema e le proprietà del fluido vengono raggruppati in grandezze adimensionali, che costituiscono le variabili significative del problema, in modo tale che l’effetto di ciascun fattore non debba essere determinato in maniera indipendente. Questo metodo opera solo sulle dimensioni, e quindi non fornisce valori numerici, ma permette di stimare l’influenza relativa dei vari parametri. Così facendo, si semplifica notevolmente l’indagine delle correlazioni sperimentali tra dati. L’analisi dimensionale permette di dedurre che il parametro caratteristico dei problemi di convezione naturale è il numero di Grashof, NGr, un rapporto adimensionale dato da: [36] N Gr = l 3 r2 gβ∆T µ2 dove l rappresenta una dimensione caratteristica del sistema, g è l’accelerazione di gravità, b è il coefficiente di espansione termica del fluido, m la sua viscosità dinamica e DT è la differenza tra la temperatura dell’interfaccia fluido-parete e quella del cuore del fluido. Si ricava la seguente correlazione, detta equazione di Nusselt: [37] ( N Nu = a N Gr N Pr ) m (dove a è un parametro adimensionale) nella quale appaiono altri due gruppi adimensionali, il numero di Nusselt [38] N Nu = hl k VOLUME V / STRUMENTI e il numero di Prandtl cp µ [39] N Pr = [40] h = b ( ∆T ) l 3m−1 k Nelle [38] e [39] k rappresenta la conducibilità termica del fluido e cp il suo calore specifico a pressione costante. Le proprietà del fluido vengono valutate a una temperatura Tf che è la media aritmetica tra la temperatura nel cuore del fluido T⬘ e la temperatura della parete Ts. Dalla relazione [37] può anche essere ricavata un’equazione dimensionale, nella quale le proprietà del fluido sono riunite in un unico fattore b: m Anche nel caso della convezione forzata, le trattazioni rigorose si limitano a geometrie semplici e a situazioni di moto laminare, mentre le analisi di situazioni in flusso turbolento solitamente si basano su modelli deterministici che però non sono in grado di produrre correlazioni applicabili in fase di progetto. Per lo studio di geometrie complicate si utilizzano perlopiù correlazioni empiriche, che tuttavia hanno spesso validità limitata. Nella convezione forzata i coefficienti di scambio sono fortemente influenzati dalle caratteristiche del flusso, che a loro volta dipendono da svariati fattori, quali l’intensità della turbolenza, le condizioni di ingresso e le condizioni presso la parete. Anche in questo caso si fa pertanto largo uso dei metodi dell’analisi dimensionale. Per lo studio del problema dello scambio di calore verso o da fluidi che scorrono all’interno di tubi cilindrici, si distinguono tre regimi di moto, a seconda del valore assunto dal numero di Reynolds: [41] N Re = rvD µ dove v è la velocità lineare del fluido all’interno del tubo e D è il diametro del tubo stesso. Le proprietà del fluido vengono valutate nel cuore della fase fluida. Se NRe⬍2.100 il regime di moto è laminare: la velocità delle particelle di fluido si mantiene parallela alle pareti del tubo e assume un profilo parabolico, nulla alle pareti e massima in corrispondenza dell’asse del tubo. Quando NRe⬎10.000 il regime di moto è turbolento e corrisponde a una situazione in cui è presente anche la componente trasversale della velocità. Mentre nel regime laminare il moto del fluido si mantiene ordinato e le sue particelle si muovono senza rimescolamenti lungo linee di corrente facilmente individuabili, nel regime turbolento esso è caratterizzato da moti caotici (vortici) che provocano rimescolamento. La presenza di fluttuazioni provocate dall’irregolarità del moto potenzia il trasferimento di quantità di moto e di energia nella direzione normale alle pareti del tubo, e ciò provoca un aumento dei coefficienti di scambio termico. Per 2.100⬍NRe⬍10.000 si ha il cosiddetto regime di transizione, in cui i due moti laminare e turbolento sussistono contemporaneamente in modo instabile e la situazione non è chiaramente determinata. In letteratura sono state sviluppate svariate soluzioni teoriche, per varie geometrie e condizioni al contorno, relative al problema del trasferimento di calore per un fluido che scorre in un tubo in regime laminare, ipotizzando che esso sia in gran parte dovuto alla conduzione. Tuttavia queste soluzioni perlopiù trascurano i fenomeni di convezione naturale, che nella pratica assumono spesso un’importanza rilevante; è quindi consigliabile fare invece ricorso a relazioni empiriche ricavate sperimentalmente. L’analisi dimensionale suggerisce di correlare i dati in termini di numero di Nusselt, NNu, oppure in termini 307 ASPETTI PROCESSISTICI di numero di Graetz: [42] N Gz = N Re N Pr D L mentre gli effetti della convezione naturale sono condensati nel numero di Grashof, NGr. Per tubi circolari orizzontali, con NGr⬍100, la correlazione raccomandata è quella di Hausen (1943): [43] N Nu µ b = 3, 66 + 2/3 1 + 0, 047( N Gz ) µ w 0 ,14 0, 085 N Gz nella quale si tiene approssimativamente conto della variazione delle proprietà del fluido attraverso il fattore adimensionale (mb Ⲑmw), dove mb è la viscosità alla temperatura media del fluido (alla quale sono valutate anche cp, r e k), mentre mw è la viscosità alla temperatura della parete. Se NGr⬎100 l’equazione consigliata, per DT e diametri piccoli, è quella di Sieder e Tate (1936): 0 ,14 µ N Nu = 1, 86( N Gz )1 3 b µw Un’espressione più generale, valida per tutti i diametri e tutti i DT, si ottiene inserendo un fattore 0,87[1⫹0,015(NGr)1Ⲑ3] nel secondo membro della [44]. Per i tubi verticali, invece, è consigliabile usare i grafici derivati da Pigford (1955). Il flusso attorno a un corpo immerso in un fluido è detto laminare se lo strato limite è laminare su tutto il corpo, anche se il flusso della corrente principale è turbolento. In questo caso vale la correlazione generale: [44] [45] tutte le regioni di moto, riportando (hⲐcpG)b(cp mⲐk)b2Ⲑ3(mw Ⲑmb)0,14 in ordinata e (NRe)b in ascissa; G è la velocità di massa, pari a rv. L’equazione [49] è qui rappresentata da una serie di curve che corrispondono a vari valori del rapporto (L/D) e che terminano in corrispondenza di NRe⫽2.100. Le porzioni di curve corrispondenti al regime di transizione sono tracciate a mano, in modo tale che esse partano da questi punti terminali e vadano poi a raccordarsi tangenzialmente con la curva che corrisponde al regime turbolento. Questo diagramma viene largamente applicato, anche se presenta le seguenti limitazioni: • in regime laminare, esso sottostima il coefficiente di trasferimento quando il DT è piuttosto elevato e le correnti di convezione naturali disturbano il profilo di velocità; • in regime laminare, esso sottostima il coefficiente di trasferimento quando il DT è tanto elevato da far sì che la temperatura del film superi leggermente il punto di ebollizione del fluido, provocando la formazione di bolle di vapore sulla superficie del tubo. Se la temperatura della massa fluida è al di sotto del punto di ebollizione queste bolle condensano, ma la loro presenza provoca turbolenza che aumenta il valore del coefficiente di trasferimento; • in regime turbolento, quando 10⬍LⲐD⬍400, gli effetti di ingresso diventano rilevanti e una correlazione più adeguata è: [51] • ( ) (N ) m N Nu = Cr N Re 13 Pr nella quale i valori di Cr e m dipendono dalla geometria del corpo e dal suo orientamento rispetto al flusso principale. Per predire lo scambio termico per un fluido che scorre con moto turbolento in un tubo sono state proposte svariate correlazioni. L’uso dell’analisi dimensionale permette di ricavare la seguente relazione: ( ) (N ) N Nu = A N Re Pr dove e e f sono coefficienti empirici e devono essere ricavati sperimentalmente. La formula di Sieder e Tate per moto turbolento è: 0 ,14 µb N Pr [47] N Nu = 0, 023 N Re µ w dove, analogamente a quanto fatto nel caso del moto laminare, è stato introdotto il coefficiente adimensionale (mb Ⲑmw). Se si introduce il numero di Stanton, NSt , definito come: ( ) ( ) 0 ,8 nel caso di regime laminare, e 0 ,14 2 3 µ −0 ,2 N St N Pr b = 0, 023 N Re [50] µw nel caso di regime turbolento. Si può quindi tracciare un diagramma in scala logaritmica (fig. 3) da cui è possibile derivare i coefficienti liminari per ( ) 308 [52] ( N Nu = 4, 82 + 0, 0185 N Re N Pr ( ) ) 0 ,827 Tutte le formule fin qui riportate si riferiscono a condotti cilindrici ma possono facilmente essere estese a condotti di sezione non circolare, sostituendo al diametro D il diametro equivalente Deq, definito dal rapporto: 0 ,33 N Nu h N St = = [48] N Pr N Re c p v r le due formule di Sieder e Tate si possono anche scrivere 0 ,14 13 2 3 µ −2 3 D N St ( N Pr ) b = 1, 86 ( N Re ) [49] L µw −0 ,054 se il fluido è un metallo liquido, NPr assume valori bassi rispetto a quelli degli altri fluidi; la resistenza al trasporto di calore dovuta al film in parete è bassa, a causa dell’elevata conduttività termica e quindi l’esponente 1/3 per NPr non fornisce una stima corretta del coefficiente di trasferimento termico. Sulla base di calcoli teorici e dati sperimentali (Rohsenow e Hartnett, 1973) è consigliato l’uso della seguente correlazione: f [53] 0,14 (h/cpG)b⭈(cpm/k)2/3 b ⭈(mw/mb) [46] e L N Nu = 0, 036( N Re )0,8 ( N Pr )1 3 D Deq = 4A P 0,05 0,01 L/D⫽50 L/D⫽100 L/D⫽200 L/D⫽400 0,001 0,0005 102 103 104 105 106 107 (NRe)b fig. 3. Valutazione del coefficiente di trasferimento per il problema di convezione forzata nel caso di un fluido che scorre in un tubo. ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI SCAMBIO TERMICO tab. 3. Valori di D da usare nell’equazione [54] in funzione del numero di strati di tubi Numero di strati 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 e oltre D 0,7 0,72 0,83 0,87 0,92 0,94 0,96 0,97 0,99 1 [54] hDe Dumax r k = 0, 33∆ µ 0 ,6 cp µ k 0 ,33 In questo caso le proprietà del fluido vengono stimate alla temperatura del film superficiale, calcolata come la media aritmetica di Tb e Tw; De è il diametro dei tubi e umax è la velocità del fluido attraverso l’area libera minima tra file di tubi; infine il valore di D dipende dal numero di strati di tubi come riportato in tab. 3. Esistono anche dei grafici utilizzati per produrre stime iniziali dei coefficienti di scambio per liquidi e gas impiegati in operazioni di riscaldamento e raffreddamento a un’unica fase, all’interno di tubi, oppure all’esterno di strati di tubi. I valori forniti da questi grafici vanno però poi verificati con calcoli più dettagliati, che tengano debitamente conto della velocità del fluido, della differenza di temperatura e della geometria dell’apparecchiatura. 6.1.4 Condensazione I fenomeni di scambio che avvengono in un fluido che subisce un cambiamento di fase richiedono un trattamento specifico. Il cambiamento di fase di un vapore saturo nel suo stato liquido viene detto condensazione. Il trasferimento di calore associato con la condensazione è solitamente classificato come convettivo, ma spesso anche la conduzione fornisce contributi non trascurabili. Il trasporto di calore da un vapore condensante è un fenomeno che si incontra molto spesso nelle applicazioni pratiche dell’industria chimica. I riscaldatori a vapore e i condensatori di testa delle colonne di distillazione sono soltanto gli esempi più noti. È possibile distinguere due tipi di condensazione: quella a film e quella a gocce. Nel primo caso il vapore che condensa forma sulla superficie solida un film di liquido che fluisce verso il basso, bagnandola completamente. Il fluido condensante, quando ha una scarsa adesione alla superficie, forma gocce che non la bagnano interamente, lasciandone una sostanziale porzione in contatto diretto con il vapore. La condensazione a gocce dà delle velocità di scambio molto più alte (da 6 a 18 volte) di quelle offerte dalla condensazione a film. Il film liquido infatti fornisce delle resistenze al trasporto di calore più elevate. Tuttavia, poiché la condensazione a gocce è molto instabile, essa viene impiegata raramente, anche se può essere facilitata in linea di principio introducendo particolari sostanze nel vapore, e nei calcoli di progetto dell’apparecchiatura si assume spesso che la condensazione abbia luogo con un meccanismo a film. VOLUME V / STRUMENTI Nello sviluppo delle formule di calcolo del coefficiente di trasferimento termico per la condensazione su una parete verticale si ipotizza che il film di liquido che si deposita fluisca verso il basso con moto laminare, costituendo quindi la maggiore resistenza al flusso del calore liberato dal vapore condensante, e che lo spessore del film sia una funzione della lunghezza del flusso, da calcolare utilizzando leggi idrodinamiche appropriate. Nusselt (1916), integrando sull’intera lunghezza del flusso, ricavò la seguente espressione per il calcolo di h: µ2 h 3 2 k r g −1 3 13 4Γ = 1, 47 [55] µ Il rapporto 4GⲐm rappresenta il numero di Reynolds applicabile a questo tipo di flusso. Per pareti verticali G è definito come il flusso di condensato per unità di perimetro bagnato (per i tubi) o larghezza bagnata (per i piatti). Per i tubi: [56] Γ = WF N t π D dove Nt rappresenta il numero di tubi e WF è il flusso nel film, valutato sul fondo del tubo dove è massimo. Tuttavia è stato dimostrato sperimentalmente che la [55] sottostima h, ed è quindi preferibile utilizzare un coefficiente pari a 1,85 invece di 1,47 (McAdams, 1954). Questa discrepanza è probabilmente dovuta al fatto che delle discontinuità della superficie di scambio, oppure delle sollecitazioni esercitate dal vapore all’interfaccia vapore-film, o altri tipi di disturbo, possono creare turbolenze nel film. Le correlazioni riportate tuttavia trascurano l’influenza del numero di Prandtl, che viceversa può essere rilevante, ed è per questo motivo che Dukler (1959) propose un approccio migliorativo della classica teoria di Nusselt, ottenendo come risultato il grafico mostrato in fig. 4, che correla gli effetti del numero di Prandtl e del numero di Reynolds sul coefficiente di 1,0 NPr⫽cpm/k 10 5 2 h[ m 2 /k 3 r 2 g] 1/3 dove A indica l’area della sezione del condotto e P il perimetro bagnato, ossia il perimetro che il liquido tocca all’interno del condotto. Talvolta i fluidi vengono riscaldati facendoli passare ortogonalmente a uno strato di tubi e il calcolo di h può essere condotto utilizzando la formula proposta da McAdams (1954): 1 0,5 0,1 0,1 Dukler Nusselt 0,01 0 1.000 10.000 100.000 NRe, 4G/m fig. 4. Valutazione del coefficiente di trasferimento per la condensazione a film di un vapore puro su una parete verticale, calcolato con la teoria di Nusselt e con la teoria di Dukler. 309 ASPETTI PROCESSISTICI tab. 4. Valori del fattore Fpl al variare della disposizione geometrica dei tubi Fpl Disposizione dei tubi Triangolare 2,10 Triangolare ruotata 1,21 A quadrato 1,05 A quadrato ruotato 1,49 trasferimento. È interessante osservare come esso non evidenzi un ben determinato numero di Reynolds di transizione. Si nota altresì che le deviazioni dai risultati della teoria di Nusselt diminuiscono al diminuire del numero di Reynolds terminale. Inoltre, quando NPr⬍0,4 si ricavano dei valori di h inferiori a quelli che si calcolano con la teoria di Nusselt. Per quanto riguarda invece la condensazione su un singolo tubo orizzontale, la teoria di Nusselt permette di derivare la seguente correlazione: µ2 h 3 2 [57] k r g In questo caso è: 4Γ = 1, 51 µ −1 3 Γ = WF L Quando si tratta il problema di un insieme di tubi in cui il fluido gocciola dai tubi superiori sulle file più in basso, provocando un aumento dello spessore via via che si va verso il basso, pur mantenendo il flusso laminare, è necessario ridefinire G. In questo caso il flusso totale condensato deve essere diviso per il numero di file verticali di tubi Nvtr su cui gocciola il condensato: [59] Γ = W N vtr L Se i tubi sono circolari, il valore di Nvtr si può stimare come: [60] N vtr = Fp 1 ( N t )0,5 Il valore del fattore Fp1 dipende dalla sistemazione geometrica dei tubi (tab. 4). In realtà il gocciolamento del condensato da fila a fila provoca l’insorgere di una certa turbolenza, e la [57] pertanto sottostima h. Per questo motivo spesso al secondo membro si utilizza un fattore 1,85, oppure la correlazione di Dukler (v. ancora fig. 4), sebbene questa sia stata originariamente sviluppata per pareti verticali. Quando i numeri di Reynolds per i film cadono nel campo turbolento si usano, in assenza di correlazioni specifiche, l’equazione [57] o la fig. 4. 6.1.5 Ebollizione Il cambiamento di fase di un liquido saturo al suo stato di vapore viene comunemente denominato ebollizione o vaporizzazione. L’ebollizione viene spesso utilizzata per trasferire calore nei processi chimici. Per esempio, il calore necessario a eseguire una distillazione viene perlopiù fornito mediante un ribollitore. Lo scambio termico che ha luogo durante l’ebollizione viene classificato come convettivo, poiché le bolle provocano lo sviluppo di una consistente turbolenza, ma in generale vari meccanismi portano il loro contributo. Per esempio la vaporizzazione può avvenire per effetto dell’assorbimento del 310 60 coefficiente di trasferimento (kW/m2⭈K) [58] 13 calore, per radiazione e convezione, alla superficie di una massa di liquido, oppure per effetto dell’assorbimento di calore per convezione naturale da una parete calda che si trovi al di sotto della superficie libera del liquido e, in quest’ultimo caso, la vaporizzazione avviene quando il liquido soprassaturo raggiunge la superficie libera. La vaporizzazione può aver luogo anche da film in caduta (e in questo caso il processo è l’inverso della condensazione descritta in precedenza), o per espansione di liquidi surriscaldati via convezione forzata sotto pressione. Quando una massa di liquido saturo viene riscaldata, non solo la velocità di flusso del calore, ma anche il coefficiente di trasferimento termico h variano al variare della differenza tra la temperatura dell’interfaccia fluido-parete Tw e quella del cuore del liquido Tb. Per acqua a pressione atmosferica, il coefficiente varia lentamente al crescere della differenza di temperatura, se Tw⫺Tb⫽DT⬍5 °C. Molto più rapido è l’aumento per DT⬎5 °C, finché si verifica un massimo stretto quando la differenza di temperatura è pari a un valore critico. Ulteriori aumenti della differenza di temperatura provocano diminuzioni del coefficiente. La spiegazione è la seguente: quando DT⬍5 °C, il cambio di fase avviene per evaporazione all’interfaccia vapore-liquido, ma quando DT ⬎5 °C numerose bolle si formano in corrispondenza della superficie riscaldante, da cui successivamente si staccano. Quest’ultimo meccanismo di trasferimento del calore si chiama ebollizione nucleata, e produce elevati coefficienti di trasmissione. Quando però DT supera un valore critico DTc, le bolle di vapore tendono a formare uno strato continuo intorno alla superficie, isolandola e peggiorando quindi le condizioni di scambio termico. Questo meccanismo viene detto ebollizione a film. L’effetto del DT sul coefficiente di trasferimento per l’acqua a pressione atmosferica è mostrato in fig. 5. In generale il valore di DTc dipende dalla natura della superficie solida e dal liquido, ma è perlopiù compreso tra 20 e 30 °C. In corrispondenza della differenza di temperatura critica si ottiene il massimo flusso di calore. Nella pratica si tende a operare con valori di DT inferiori a DTc, per evitare di cadere nelle condizioni di ebollizione a film, in corrispondenza della 40 20 10 8 6 4 2 1 2 4 6 8 10 20 40 60 DT (K) fig. 5. Coefficiente di trasferimento per acqua in ebollizione, all’esterno di un singolo tubo orizzontale sommerso nella massa d’acqua. ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI SCAMBIO TERMICO quale la superficie di scambio termico funziona in condizioni di scarsa efficienza. Oltretutto, poiché il film di vapore agisce da isolante, si rischia un surriscaldamento del tubo di metallo dalla parte calda. Per progettare un ribollitore è quindi molto importante essere in possesso di una stima del massimo flusso di calore, che dipende in maniera significativa dalla densità dei vapori generati. Le operazioni a bassa pressione e sotto vuoto possiedono maggiori potenzialità rispetto alla possibilità di operare in condizioni di ebollizione nucleata. Il massimo flusso di calore per una massa di fluido riscaldata da un unico tubo orizzontale può essere calcolato sulla base di una correlazione, espressa in termini di pressione operativa p e di pressione critica del fluido pc, applicabile alla maggior parte dei fluidi, inclusi acqua e idrocarburi (Mostinski, 1963): [61] ( q A) max p = 367 pc 0 ,35 p 1 − p c 0 ,90 pc dove le pressioni sono espresse in kPa. Secondo la [61] il massimo flusso di calore cresce quando p aumenta partendo da 0, fino a raggiungere un massimo quando è pari al 28% di pc, per poi decrescere a zero via via che p si avvicina a pc. La [61] vale quando il riscaldamento viene impartito da un unico tubo orizzontale, ma quando esso viene fornito da un gruppo di tubi orizzontali il rilascio del vapore dagli elementi riscaldanti è meno immediato a causa della prossimità dei tubi adiacenti. In generale, aumentando il numero di tubi, e diminuendo la loro distanza, diminuisce (qⲐA)max. In qualche caso (qⲐA)max si riduce addirittura al 10% del valore che si otterrebbe con un singolo tubo. Il coefficiente di trasferimento termico in condizioni di ebollizione nucleata si può calcolare utilizzando, tra le altre, la seguente correlazione (Mostinski, 1963): 10 p 0,17 p 1,2 1,8 + 4 +10 p pc pc pc Questa correlazione non tiene conto dell’effetto della natura della superficie riscaldante e può essere considerata accettabile per tubi commerciali, laddove tubi estremamente lisci offrono un numero inferiore di siti per la nucleazione delle bolle e quindi forniscono valori del coefficiente di trasferimento inferiori. La turbolenza creata dall’ebollizione in gruppi di tubi orizzontali può dare valori del coefficiente che sono almeno il doppio di quelli ottenuti per un singolo tubo. Un’espressione è stata proposta anche per il coefficiente di trasferimento in condizioni di ebollizione a film: [62] [63] q h = 0, 00441 pc0,69 A ( 0 ,7 Siano Tc e Th, rispettivamente, la temperatura del fluido freddo e quella del fluido caldo, Tci e Tco le temperature in ingresso e in uscita del fluido freddo e Thi e Tho le temperature in ingresso e in uscita del fluido caldo. In equicorrente, la temperatura del fluido freddo in uscita non può mai superare la temperatura di uscita del fluido caldo (Tho⬎Tco). Tanto più elevata è la superficie di scambio termico, quanto più Tco si avvicina a Tho. In controcorrente si può verificare che Tco⬎Tho, perché qui si verifica un maggior recupero termico. Mentre il salto di temperatura per lo scambio in controcorrente non subisce grosse variazioni, per quello in equicorrente, esso varia da un massimo nella sezione di ingresso fino a un minimo nella sezione di uscita (fig. 6). Il trasferimento di calore tra due fluidi separati da una parete piana viene generalmente descritto usando l’equazione: [64] q =UA (Th − Tc ) secondo la quale il calore q trasferito nell’unità di tempo dal fluido caldo al fluido freddo è uguale al prodotto tra un fattore di proporzionalità U, denominato coefficiente globale di trasferimento, l’area della superficie A attraverso cui fluisce il calore e la differenza tra le temperature dei due fluidi, Th ⫺Tc. L’equazione [64] si applica solo localmente, o quando le condizioni di scambio si mantengono costanti su tutta l’apparecchiatura, altrimenti deve essere espressa in forma differenziale: [65] dq =U (Th − Tc ) dA Il coefficiente globale di trasferimento tiene conto di una serie di resistenze al flusso di calore che si presentano in un sistema di questo tipo e che includono i fluidi stessi (rh e rc), i depositi dovuti allo sporcamento sul lato caldo e sul lato freddo della parete che separa i fluidi (rhs e rcs), e la stessa parete solida (rw). Il coefficiente globale di trasferimento si può esprimere come l’inverso della somma delle resistenze in serie: [66] U= L’inverso di ciascuna di queste resistenze si chiama conduttanza e si indica con h. Le conduttanze dei due fluidi, hh e hc, sono i coefficienti di scambio liminare. Il flusso di calore (q/A) attraverso ognuna delle singole resistenze è il medesimo; il salto di temperatura attraverso ciascuna resistenza è inversamente proporzionale al valore di h: [67] ∆Th = ) kv3 rl − rv rv g h = 0, 620 µv Do ∆T 1 rh + rhs + rw + rcs + rc q q 1 r = A h A hh T Thi T Thi Tho 6.1.6 Scambiatori di calore Nella maggior parte dei dispositivi industriali per la trasmissione del calore, quest’ultimo viene trasferito da un fluido caldo a uno freddo attraverso una superficie solida. Il dispositivo più semplice usato a questo scopo è lo scambiatore a doppio tubo (o a fluidi coassiali), in cui uno dei fluidi percorre il condotto esterno, mentre l’altro passa nel tubo interno. Per gli scambiatori a doppio tubo sono possibili due precise modalità di scambio, definite in controcorrente quando i due flussi procedono in versi opposti, o in equicorrente quando i due flussi procedono nello stesso verso. VOLUME V / STRUMENTI Tho Tco Tco Tc Tci Tci ingresso uscita equicorrente A Tc ingresso uscita controcorrente B fig. 6. Andamento delle temperature dei due fluidi per uno scambiatore in equicorrente (A) e per uno scambiatore in controcorrente (B). 311 ASPETTI PROCESSISTICI La differenza tra la temperatura del fluido caldo e quella del fluido freddo è data dalla somma dei DT per le singole resistenze. Solitamente la parete solida, di spessore y, è costituita da un materiale conduttore e la quantità di calore che lo attraversa è data da: [68] k q = A∆Tw y Molto spesso rw è trascurabile, sia perché lo spessore della parete è molto basso, sia perché il valore k della conducibilità è molto elevato. Per sporcamento si intende qualunque strato, o deposito, di materiale estraneo su una superficie che deve scambiare calore. Questi materiali solitamente hanno una bassa conduttività termica, e quindi manifestano un’elevata resistenza allo scambio termico. Tali strati si possono creare per effetto della deposizione di sostanze finemente suddivise eventualmente presenti nei fluidi di processo, oppure per cristallizzazione di qualche sostanza la cui solubilità alla temperatura alla quale si trova la parete sia più bassa di quella alla temperatura del cuore del fluido. La formazione di strati piuttosto spessi e duri di sporcamento alla parete è causata da reazioni di polimerizzazione e talvolta da prodotti di corrosione delle pareti stesse. Come detto, quando le condizioni di scambio variano lungo l’apparecchiatura, è necessario usare la [65]. Un’espressione del flusso di calore in funzione delle temperature di ingresso e uscita del fluido caldo (Thi e Tho) e del fluido freddo (Tci e Tco) può essere ricavata con le seguenti ipotesi: a) il coefficiente di trasferimento globale U è costante su tutta l’apparecchiatura; b) lo scambiatore opera in condizioni stazionarie; c) il calore specifico dei due fluidi è costante per tutta la lunghezza dello scambiatore; d ) non si verificano cambiamenti di stato nel sistema; e) le dispersioni di calore sono trascurabili. In particolare, se i flussi dei fluidi avvengono in controcorrente si ricava: [69] q = UA (T hi ) ( − Tco − Tho − Tci T −T ln hi co Tho − Tci ) La differenza di temperatura efficace, detta differenza di temperatura media logaritmica, è quindi data da: [70] ∆Tlm = (T hi ) ( − Tco − Tho − Tci T −T ln hi co Tho − Tci ) Se invece i flussi dei due fluidi avvengono in equicorrente si ricava: [71] q = UA (T hi ) ( − Tci − Tho − Tco T −T ln hi ci Tho − Tco ) In questo caso la differenza di temperatura media logaritmica è data da: [72] 312 ∆Tlm = (T hi ) ( − Tci − Tho − Tco T −T ln hi ci Tho − Tco ) Il coefficiente globale di trasferimento U può essere valutato direttamente tramite la [66] solo se l’area di scambio è costante, come accade nel caso di trasferimenti attraverso pareti piane. Tuttavia la maggior parte delle apparecchiature presenta superfici di scambio tubolari, in cui l’area esterna Ao è superiore a quella interna Ai. La [66] deve quindi essere modificata in modo da riferire tutte le resistenze alla stessa superficie, in particolare quella utilizzata per definire A. Solitamente, nel caso di apparecchiature tubolari ci si riferisce alla superficie esterna e il coefficiente globale di trasferimento è quindi dato da: 1 [73] U = Ao A A r + o r + o r +r +r Ai i Ai is Alm w os o La resistenza della parete metallica del tubo viene moltiplicata per il rapporto tra la superficie esterna e una superficie media, calcolata dal valore medio logaritmico del raggio del tubo definito nella [10]. Infine bisogna prendere in considerazione il caso in cui U non sia costante, ma vari con la temperatura dei due fluidi. In questo caso si ipotizza perlopiù che la dipendenza sia lineare, del tipo: [74] U = α∆T + β Integrando la [65] si ottiene l’espressione seguente: [75] q= A ( ) ( ( ) (T − T ) U c Thi − Tco − U h Tho − Tci ln ) U c Thi − Tco Uh ho ci dove Uc e Uh sono rispettivamente i valori del coefficiente di trasferimento nel punto più freddo e nel punto più caldo dello scambiatore. In pratica gli scambiatori di calore a tubi coassiali sono raramente utilizzati, perché offrono una superficie di scambio limitata. Gli scambiatori più largamente impiegati sono quelli a fascio tubiero, che sono versatili e possono essere impiegati anche in presenza di cambiamenti di stato (per esempio, condensazioni ed ebollizioni) con pressioni operative che vanno da valori vicini a condizioni di vuoto a valori dell’ordine di 40 MPa. In pratica gli scambiatori a fascio tubiero sono costituiti da due piastre a cui sono connessi un certo numero di tubi (fascio tubiero), posti all’interno di un mantello. Con questa disposizione si riesce a compattare in poco spazio una grande superficie di scambio. In fig. 7 sono rappresentati due disegni schematici di scambiatori. Uno dei due fluidi percorre il fascio dei tubi: nel caso più semplice entrando da una testata e uscendo da quella opposta, nel caso più generale percorrendo parte dei tubi in un senso e invertendo poi la direzione di flusso e ripercorrendo altri tubi in senso inverso, per poi tornare a invertire la direzione, e così via, fino a compiere n percorsi entro il fascio tubero (n passi); lo scambiatore di fig. 7A è a 2 passi, quello di fig. 7B a 4 passi. L’altro fluido scorre nell’involucro cilindrico che contiene i tubi e investe i tubi stessi in modo piuttosto complesso. Solitamente, infatti, per migliorare lo scambio termico vengono riposte all’interno dell’involucro delle paratie, che chiudono parzialmente la sezione dell’involucro, lasciandosi attraversare dai tubi: tali paratie sono fissate alternativamente su lati opposti dell’involucro. Il fluido si muove quindi a zigzag, investendo i tubi in direzione grosso modo perpendicolare nello spazio compreso tra due paratie, e muovendosi invece all’incirca parallelamente ai tubi in corrispondenza delle ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI SCAMBIO TERMICO Le formule tipo la [69], ricavate per sistemi a tubo coassiale, valgono anche per gli scambiatori a fascio tubiero, pur di introdurre un fattore correttivo Y, in quanto in tali apparecchiature i due flussi non sono né in controcorrente né in equicorrente. Il valore di Y è sempre minore di 1 e dipende dal tipo di scambiatore e dalle temperature di ingresso e uscita dei due fluidi. I valori di Y sono stati calcolati (Kern, 1950) per una serie di flussi di interesse comune, sempre sotto le assunzioni prima menzionate, che erano state introdotte per ricavare l’equazione [69]. In generale valori di Y minori di 0,8 sono considerati inaccettabili e la corrispondente configurazione dello scambiatore viene giudicata inefficiente. Negli scambiatori si tende a mantenere elevate le velocità dei fluidi in modo da ottenere dei coefficienti di scambio più alti possibile, senza elevare oltre limiti ragionevoli le perdite di carico. A B 6.1.7 Irraggiamento fig. 7. Scambiatori di calore a fascio tubiero: A, a 2 passi; B, a 4 passi. finestre. La riduzione di sezione, che provoca un aumento di velocità, e il fatto che il fluido colpisca frontalmente, almeno in parte, il fascio tubiero causano un aumento della turbolenza e quindi un miglioramento del coefficiente di trasferimento. Solitamente le aperture delle paratie corrispondono a circa il 25% della sezione totale dell’involucro. Il calcolo del coefficiente di trasferimento per il lato del tubo è immediato, poiché si possono utilizzare i criteri già visti per il caso di flussi in condotti tubolari (v. ancora fig. 3). Meno semplice è il calcolo del coefficiente per il fluido che scorre nell’involucro, dato che il regime di moto in questo caso è piuttosto complesso. Tuttavia sono state proposte alcune correlazioni, come quella di Kern (1950): 0 ,14 Deq Geq c p µ µ hde = 0, 36 k µ k µ f simile alla [54]. Il diametro equivalente Deq è calcolato dalla [53]. Geq indica una velocità di massa equivalente. In corrispondenza dell’apertura di una paratia, dove il flusso è parallelo ai tubi, si stima una velocità di massa Gw dal rapporto tra la portata in massa del fluido e l’area della sezione libera, Sw, che è l’area totale dell’apertura a cui deve essere sottratta la somma delle sezioni dei tubi che l’attraversano. D’altra parte nello spazio compreso tra due paratie, dove il flusso è normale ai tubi, l’area della sezione libera, Ss, può essere approssimativamente calcolata dall’espressione yLxpDs ⲐyT , dove Ds è il diametro dell’involucro, yT è la distanza tra gli assi di due tubi vicini e che si trovano sulla stessa fila orizzontale, yL è la distanza tra due tubi vicini sulla stessa fila orizzontale (yL⫽yT⫺De) e xp è la distanza tra due paratie successive. Si noti che Ds ⲐyT rappresenta il valore approssimato del numero dei tubi e quindi anche del numero degli spazi liberi in corrispondenza del diametro dell’involucro, mentre il prodotto yLxp fornisce l’area dello spazio libero tra due tubi vicini. Quindi nello spazio tra le paratie si può stimare una velocità di massa Gs data dal rapporto tra la portata in massa del fluido e Ss. La velocità di massa equivalente Geq, introdotta nella [76], si può calcolare dalla media geometrica di Gw e Gs: 0 ,55 [76] [77] Geq = GwGs VOLUME V / STRUMENTI 13 Un corpo riscaldato emette radiazioni elettromagnetiche di intensità e frequenze dipendenti dalla sua temperatura. Per esempio, se il filamento di una lampada a incandescenza viene riscaldato elettricamente, sia la quantità di energia emessa nell’unità di tempo sia la porzione di radiazione visibile emessa aumentano all’aumentare della temperatura. A una temperatura inferiore a 400 °C la radiazione emessa dalla lampada non è percepita dall’occhio umano, ma viene avvertita dall’epidermide come calore. La descrizione quantitativa di questo fenomeno si basa sulla meccanica quantistica, ma in termini qualitativi esso può essere spiegato osservando come, quando si fornisce energia a un corpo solido, alcuni degli atomi e delle molecole che lo costituiscono si portino su stati eccitati, tendendo però a tornare spontaneamente a stati di minore energia. Quando ciò accade l’energia viene emessa sotto forma di radiazioni elettromagnetiche, che dipendono dalle variazioni subite dagli atomi e dalle molecole negli stati elettronico, vibrazionale e rotazionale e quindi sono distribuite su diverse lunghezze d’onda. Il processo inverso, detto assorbimento, ha luogo quando, fornendo dell’energia raggiante a un corpo, se ne provoca il passaggio a uno stato di energia superiore. Questo è ciò che accade quando l’energia raggiante colpisce una superficie solida. L’energia raggiante che incide sulla superficie di un corpo è in parte assorbita, in parte riflessa e in parte trasmessa. Si può quindi scrivere: [78] a + r +τ =1 dove a indica l’assorbività, ovvero la frazione di energia assorbita dal corpo, r è la riflettività, ovvero la frazione riflessa, e t la trasmittività, ovvero la frazione trasmessa. Per la maggior parte, i materiali di interesse pratico sono costituiti da sostanze opache con trasmittività nulla. I corpi che assorbono tutta l’energia incidente sono detti corpi neri. Nessuna superficie reale si comporta in pratica come un corpo nero. Il miglior esempio di corpo nero è rappresentato da una cavità vuota a pareti opache in comunicazione con l’ambiente per mezzo di un foro di area trascurabile rispetto alla superficie della cavità. Tutta l’energia raggiante che entra nella cavità vi rimane intrappolata e il foro si comporta come un corpo nero. Due corpi di area A1 e A2 contenuti in una cavità isolata emettono esternamente le energie raggianti A1 e1 e A2 e2, dove e rappresenta il potere emissivo totale, cioè l’energia emessa per tempo unitario e superficie unitaria nell’emisfera situata 313 ASPETTI PROCESSISTICI sopra ciascuna superficie elementare. Si indichi poi con eB l’energia incidente sull’unità di superficie dei due corpi proveniente dalla superficie della cavità, e con a1 e a2 i poteri assorbenti dei due corpi, ovvero il rapporto tra la radiazione assorbita e quella incidente. In condizioni di equilibrio termodinamico l’energia incidente e assorbita da ciascun corpo deve eguagliare quella emessa per cui è: [79] eB A1α1 = A1e1; ε= ei eB eλ = 2π hP c λ −5 h c k λT dλ = c1λ −5 50 40 λmax = 1.540 °C 20 10 1.200 °C 0 0 1 2 3 4 5 l (mm) c λT e P B −1 e 2 −1 dove c è la velocità della luce nel vuoto, pari a 2,9979⭈108 m/s, kB è la costante di Boltzmann, pari a 1,3807⭈10⫺23 J/K, hP è la costante di Planck pari a 6,6261⭈10⫺34 J⭈s, mentre c1 e c2 sono le cosiddette prima e seconda costante della legge di Planck che valgono, rispettivamente, 3,7403·10⫺16 J⭈m2/s e 1,4387⭈10⫺2 m⭈K. In fig. 8 è rappresentata la dipendenza di el dalla lunghezza d’onda per diversi valori della temperatura. Ognuna delle curve ottenute a una data temperatura presenta un massimo per una lunghezza d’onda che varia al variare della temperatura stessa secondo la legge di Wien: 0, 2898 T dove il valore della costante è espresso in cm·K. Il potere emissivo totale del corpo nero si ricava da quello specifico attraverso un’integrazione su tutto lo spettro delle lunghezze d’onda. Utilizzando l’espressione di el fornita dalla legge di Planck e calcolando l’integrale, si ottiene la legge di Stefan-Boltzmann: eB⫽c1T 4Ⲑc24⫽sT 4, dove s ha il valore di 5,67·10⫺8 W/(m2⭈K4). Calcolo dell’energia raggiante trasmessa tra due superfici Per calcolare l’energia raggiante trasmessa tra due superfici, sarebbe necessario considerare lo scambio di radiazioni monocromatiche e integrare in tutto lo spettro di lunghezze 314 60 30 2 [83] 2.040 °C 70 In condizioni di equilibrio termico l’emissività di un corpo eguaglia il suo potere assorbente. Oltre al potere emissivo totale si definisce anche il potere emissivo specifico el, che rappresenta l’energia emessa in emispazio per unità di superficie, unità di tempo e in un intervallo di lunghezza d’onda compreso tra l e l⫹dl. Il potere emissivo totale dipende, oltre che dalla temperatura termodinamica T, anche dalla lunghezza d’onda l. Per il corpo nero tale dipendenza fu trovata da Planck nel 1900 (Planck, 1923): [82] 80 e1 e2 = =e α1 α 2 B Questa relazione stabilisce che in condizioni di equilibrio il rapporto tra il potere assorbente e il potere emissivo è uguale per tutti i corpi (legge di Kirchhoff). Per un corpo nero a⫽1, quindi e⫽eB. Il potere emissivo del corpo nero dipende esclusivamente dalla temperatura. Il rapporto tra il potere emissivo di una superficie generica e quello del corpo nero è detto emissività della superficie e viene indicato come: [81] 90 eB A 2α 2 = A 2 e2 ovvero: [80] 100 el (u.a.) fig. 8. Dipendenza del potere emissivo specifico dalla lunghezza d’onda per diversi valori della temperatura. d’onda. Per semplicità però si preferisce calcolare l’energia che i due corpi scambierebbero se fossero neri, usando la legge di Stefan, e moltiplicare il risultato ottenuto per l’emissività della superficie in gioco. In generale le emissività dei corpi sono funzioni della temperatura e della natura delle superfici. Superfici metalliche a bassa temperatura possono raggiungere valori dell’emissività intorno a 0,05, che ad alte temperature crescono fino a 0,70. L’emissività di una superficie metallica ossidata può variare tra 0,65 e 0,95, a seconda della temperatura della superficie stessa. Mattoni, vetro, marmo e carta hanno emissività generalmente maggiori di 0,90. L’assorbività di una superficie dipende, oltre che dalla natura della superficie e dalla sua temperatura, anche dalla distribuzione spettrale della radiazione incidente. Se il corpo che riceve la radiazione assorbe tutte le lunghezze d’onda con uguale assorbività, esso è chiamato grigio e la sua assorbività è indipendente dalla distribuzione energetica della radiazione incidente. In tal caso l’assorbività a è uguale all’emissività del corpo nero alla sua temperatura. A questo punto è possibile calcolare la trasmissione di energia raggiante tra due superfici di solidi separati da un mezzo non assorbente. Se si tratta di due superfici parallele a estensione infinita, grigie, con emissività e1 ed e2 a temperatura T1 e T2, il corpo 1 emette, per unità di tempo e di superficie, ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI SCAMBIO TERMICO l’energia raggiante e1⫽e1sT14, della quale la frazione e2 è assorbita dal corpo 2 e la frazione (1⫺e2) è riflessa nuovamente. Questa a sua volta sarà in parte assorbita e in parte riflessa, e così via. Si dimostra che l’energia assorbita dalla superficie 2, per unità di superficie emittente, è data da: q1→ 2 σ T14 = 1 1 A + −1 ε1 ε 2 e analogamente: [91] [84] q2→1 σ T24 = 1 1 A + −1 ε1 ε 2 Quindi l’energia complessivamente trasmessa da 1 a 2 è: [85] [86] ) q 1 = σ (T14 − T24 A1 1 1 + −1 ε1 ε2 Se le due superfici sono nere, essendo e1⫽e2⫽1, la [86] diventa: [87] q = σ (T14 − T24 A1 ) Se invece le due superfici non sono parallele e hanno estensione finita, è necessario introdurre un fattore geometrico F12, detto fattore di vista, definito come la frazione dell’energia emessa dalla superficie A1 in tutte le direzioni che viene intercettata dalla superficie A2. Per cui è: [88] A1F12 = A 2 F21 In presenza di diverse superfici che complessivamente ricevono tutta l’energia raggiante emessa da un’unica superficie A1 è valida la seguente relazione: [89] F11 + F12 + F13 + F14 + ... = 1 Se A1 non vede nessuna parte di sé stessa, F11⫽0. I valori dei fattori geometrici che intervengono nella soluzione dei problemi più comuni sono stati calcolati e riportati in diagrammi. Il calcolo pratico dei fattori di vista è comunque spesso piuttosto complicato. I diagrammi ricavati da Hottel (1950, 1954) permettono di derivare i fattori di vista nel caso dell’irraggiamento diretto tra due rettangoli adiacenti, disposti in piani perpendicolari, e nel caso dell’irraggiamento diretto tra forme identiche opposte in piani paralleli. Quando le due superfici parallele raggianti sono connesse da una superficie riflettente, l’energia non viene scambiata solo direttamente tra le due superfici, ma in parte anche per riflessione attraverso la superficie riflettente. In questo caso la quantità di calore scambiato si potrà quindi esprimere tramite la formula: ) ) q = σ F12 A 1(T14 − T24 = σ F21 A 2(T14 − T24 _ dove i valori del fattore geometrico F risultano sempre superiori a quelli di F in quanto la presenza di una superficie riflettente tra due superfici parallele aumenta la quantità di calore scambiato nell’unità di tempo. Se si considera una cavità chiusa, come l’interno di una fornace, essa può essere suddivisa in un certo numero di superfici radianti A1, A2, …, mentre il resto della cavità può essere considerato come un’unica superficie riflettente AR a temperatura uniforme TR. [90] VOLUME V / STRUMENTI Se esistono due superfici radianti A1 e A2, indicando con F12 il loro fattore geometrico, F1R quello fra la prima superficie e la superficie riflettente, FR2 quello fra la superficie riflettente e la seconda superficie e infine FRR quello della superficie riflettente con sé stessa (se la superficie è piana FRR⫽0) si può dimostrare che: F12 = F12 + F1R FR 2 1 − FRR infatti la frazione F12 dell’energia emessa dalla A1 è direttamente assorbita dalla A2, e quest’ultima riceve anche la frazione FR2 Ⲑ(1⫺FRR) della radiazione inizialmente incidente su AR. Le considerazioni svolte sopra sono valide, purché si ammetta che le superfici radianti in gioco siano nere. Un calcolo esatto del calore trasmesso tra due superfici non nere risulta però troppo complesso, e viene quindi semplificato assumendo che le superfici siano grigie. Se si considerano in una cavità due superfici raggianti A1 e A2 con emissività e1 ed e2, si può dimostrare che il calore scambiato, dovuto al meccanismo combinato di radiazione diretta, superficie riflettente e riflessione multipla all’interno della cavità, si può esprimere con la formula: [92] ( ) ( q = σ A1Φ12 T14 − T24 = σ A2Φ 21 T14 − T24 ) dove il fattore F12 è dato da: 1 [93] Φ12 = A 1 1 1 + −1 + 1 − 1 F12 ε1 A2 ε 2 L’equazione [92], che è la più generale tra quelle presentate sopra per descrivere lo scambio termico, può essere utilizzata per derivare un coefficiente di trasferimento termico. Essa infatti può essere riscritta nella forma: T 4 − T24 T −T q = σ A1Φ12 1 [94] T1 − T2 1 2 ( ) dalla quale si ottiene la seguente espressione per il coefficiente di trasferimento: [95] h = σΦ12 T14 − T24 T1 − T2 Irraggiamento dei gas Nello studio dell’irraggiamento di superfici solide si può assumere con buona approssimazione che i corpi in esame siano grigi, ovvero che l’emissività o l’assorbività siano indipendenti dalla frequenza della radiazione. Nello studio dell’irraggiamento dei gas è invece necessario tener conto di tale dipendenza. Infatti, se la radiazione di un corpo nero passa attraverso una massa di gas, l’assorbimento ha luogo solo in alcuni intervalli di frequenza dello spettro infrarosso. Analogamente, se il gas è riscaldato irradia energia nello stesso intervallo di frequenza. Tali frequenze infrarosse sono prodotte dalle transizioni delle molecole fra i livelli quantici rotazionali e vibrazionali. In pratica, fra i gas contenuti nei prodotti di combustione, mono- e biossido di carbonio, vapor d’acqua, biossido di zolfo, cloruro di idrogeno e idrocarburi posseggono un apprezzabile valore dell’emissività. Viceversa, i gas aventi molecole biatomiche simmetriche quali l’azoto, l’ossigeno e l’idrogeno non hanno un’emissività significativa. L’emissività e l’assorbività di una miscela gassosa dipendono dai suoi componenti radianti e sono proporzionali alla loro concentrazione e allo spessore medio L della massa gassosa. 315 ASPETTI PROCESSISTICI I valori dell’emissività dei gas più importanti dipendono dalla temperatura, dalla loro pressione parziale e dallo spessore L della massa gassosa che, a sua volta, può essere calcolato mediante la formula: [96] V L = 0, 85 4 S dove V è il volume del gas e S è la superficie totale. L’emissività totale, o assorbività, di una miscela di gas è minore della somma di quelle dei componenti puri. Se, per esempio, si considera una miscela di CO2 e H2O, si ha: [97] ε g = ε CO + ε H O − C 2 2 dove eg è l’emissività del gas a una data temperatura, eCO2 è l’emissività del CO2 alla stessa temperatura, eH2O è l’emissività dell’acqua, C è un termine correttivo che dipende da eCO2 e da eH2O. Forni Una delle applicazioni industriali più importanti del trasferimento di calore via irraggiamento è rappresentata dai forni, che sono largamente impiegati nelle raffinerie petrolifere, per la distillazione del greggio a pressione atmosferica e sotto vuoto, nel cracking termico e in molte operazioni di servizio. I forni sono apparecchiature in cui la maggior parte del calore totale viene trasferita mediante irraggiamento diretto da una fiamma verso superfici in grado di assorbire calore. Queste superfici, dato che la radiazione procede essenzialmente in linea retta, devono essere in grado di vedere la sorgente che emette la radiazione. Abitualmente, nei forni industriali i corpi che ricevono il calore sono dei tubi all’interno dei quali è contenuto il fluido che deve essere riscaldato, e che a loro volta sono contenuti in pareti costituite da un materiale a elevata riflettività: non è quindi facile determinare per via teorica i percorsi coperti dalle radiazioni, e la velocità di scambio termico. Generalmente per i forni il flusso di calore si può esprimere con la formula: [98] q ⫽ ℑsA⬘(T14 ⫺T24) dove T1 è la temperatura della sorgente, T2 è la temperatura dei tubi, A⬘ è una superficie efficace dei tubi e ℑ è un fattore adimensionale di scambio. Nella maggior parte dei forni i tubi sono collocati in una o due file, immediatamente davanti alle pareti. Parte della radiazione colpisce direttamente i tubi, che la assorbono, mentre la porzione rimanente colpisce le pareti, che in parte la riflettono e in parte la disperdono nell’atmosfera. È possibile stimare una superficie piana efficace, Acp, a cui viene attribuita emissività unitaria, per sostituire nei calcoli di progetto la superficie totale dei tubi, moltiplicando il numero dei tubi per la loro lunghezza esposta alla radiazione e per la distanza tra i loro centri. Poiché l’insieme dei tubi non assorbe però tutta l’energia emessa dalla fiamma, è necessario calcolare anche un fattore di efficienza di assorbimento a. Un metodo di calcolo per a fu sviluppato da Hottel (1931). Il valore del fattore di scambio ℑ dipende soprattutto dall’emissività dei gas prodotti nella combustione e dalla radiazione riflessa dalle pareti. Parametri importanti, sulla base di quanto discusso poco sopra, sono quindi la concentrazione di CO2 e H2O, la temperatura del gas e lo spessore della massa gassosa. Poiché la gran parte dell’energia che colpisce le pareti viene riflessa nella direzione dei tubi, i forni che hanno ampie parti di pareti esposte alla radiazione sono in grado di trasferire per radiazione più calore per unità 316 di superficie, di quelli in cui le pareti siano molto schermate dai tubi. Bibliografia generale Fanaritis J.P. et al. (1980) Heat exchange technologies (heat transfer), in: Grayson M. (executive editor) Kirk-Othmer encyclopedia of chemical technology, New York, John Wiley, 1978-1984, 26v.; v.XII, 129-170. Graetz L. (1880) «Mathematik für Physiker», 25, 316. Holman J.P. (2007) Heat transfer, New York, McGraw-Hill. Incropera F.P., DeWitt D.P. (2001) Fundamentals of heat and mass transfer, New York, John Wiley. Bibliografia citata Carslaw H.S., Jaeger J.C. (1959) Conduction of heat in solids, Oxford, Clarendon. Dukler A.E. (1959) Dynamics of vertical falling film systems, «Chemical Engineering Progress», 55, 62-67. Gurney H.P., Lurie J. (1923) Charts for estimating temperature distributions in heating or cooling solid shapes, «Journal of Industrial and Engineering Chemistry», 15, 1170-1172. Hausen H. (1943) Presentation of heat transfer in tubes by means of generalized exponential functions, «Zeitschrift des Vereines Deutscher Ingenieure», 4, 91-98. Hottel H.C. (1931) Radiant heat transmission between surfaces separated by non-absorbing media, «American Society of Mechanical Engineers. Transactions», 53, 265-273. Hottel H.C. (1950) Radiant heat transmission, in: Chemical engineers’ handbook, New York, McGraw-Hill, 493-498. Hottel H.C. (1954) Radiant heat transmission, in: McAdams W.H., Heat transmission, New York, McGraw-Hill, Chapter 4. Kern D.Q. (1950) Process heat transfer, New York, McGraw-Hill. McAdams W.H. (1954) Heat transmission, New York, McGraw-Hill. Mostinski I.L. (1963) Application of the law of corresponding states to the calculation of heat transfer and critical heat flux for boiling liquids, «Teploenergetika», 4, 66-71. Nusselt W. (1916) Die Oberflachen-Kondensation des Wasserdampfes, «Zeitschrift des Vereines Deutscher Ingenieure», 60, 541. Pigford R.L. (1955) Nonisothermal flow and heat transfer inside vertical tubes, «Chemical Engineering Progress», 51, 79-92. Planck M. (1923) Vorlesungen über die Theorie der Wärmestrahlung, Lipsia, Barth. Rohsenow W.M., Hartnett J.P. (1973) Handbook of heat transfer, New York, McGraw-Hill. Sieder E.N., Tate G.E. (1936) Heat transfer and pressure drop of liquids in tubes, «Journal of Industrial and Engineering Chemistry», 28, 1429-1435. Elenco dei simboli A a Ae Aeq Ai c area della sezione del corpo normale alla direzione di flusso del calore; sezione di un tubo assorbività di un corpo superficie esterna di uno strato sferico superficie equivalente per problemi di scambio termico attraverso un cilindro cavo, o uno strato sferico superficie interna di uno strato sferico velocità della luce nel vuoto ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI SCAMBIO TERMICO cp D Deq Ds e el Fi, j Fp1 g G h hT k kB L l NGr NGz NNu NPr NRe NSt Nt Nvtr p pc q q⬘ r R r rc rcs Re rh rhs Ri Rlm Rm calore specifico a pressione costante diametro di un tubo diametro equivalente di un tubo diametro dell’involucro cilindrico di uno scambiatore potere emissivo totale di un corpo potere emissivo specifico di un corpo fattori di vista parametro dell’equazione [60] accelerazione di gravità velocità di massa di un fluido in uno scambiatore coefficiente di trasferimento di calore coefficiente globale di trasferimento di calore tra l’ambiente e la superficie di un corpo, in un problema di conduzione non stazionaria conducibilità termica costante di Boltzmann lunghezza di un cilindro o di un tubo; spessore di una massa gassosa dimensione caratteristica del sistema, in problemi di conduzione naturale numero di Grashof numero di Graetz numero di Nusselt numero di Prandtl numero di Reynolds numero di Stanton numero dei tubi numero di file verticali di tubi su cui gocciola il condensato pressione pressione critica di un fluido calore scambiato per unità di tempo velocità di generazione del calore resistenza termica di una parete distanza che intercorre, in un problema di conduzione non stazionaria, nella direzione in cui viene trasmesso il calore, dal punto o dal piano a metà del corpo al punto in esame riflettività di un corpo resistenza allo scambio di calore offerta dal fluido freddo, in uno scambiatore resistenza allo scambio di calore offerta dallo sporcamento sul lato del fluido freddo, in uno scambiatore. raggio esterno di un cilindro cavo, o di uno strato sferico resistenza allo scambio di calore offerta dal fluido caldo, in uno scambiatore resistenza allo scambio di calore offerta dallo sporcamento sul lato del fluido caldo, in uno scambiatore. raggio interno di un cilindro cavo, o di uno strato sferico raggio medio logaritmico in problemi di conduzione non stazionaria: raggio della sfera o del cilindro, oppure metà dello spessore della lastra scaldata da entrambi i lati, oppure spessore della lastra scaldata da un lato e perfettamente isolata dall’altro VOLUME V / STRUMENTI rw Ss Sw T t T⬘ T0 Tb Tc Tci Tco Te Th Thi Tho Ti Tn Ts U umax V v WF xp Y Y yT resistenza allo scambio di calore offerta dalla parete, in uno scambiatore area della sezione libera nello spazio compreso tra due paratie, in uno scambiatore area della sezione libera nell’involucro di uno scambiatore temperatura termodinamica tempo temperatura dell’ambiente temperatura iniziale di un corpo, in un problema di conduzione non stazionaria temperatura nel cuore di un fluido temperatura del fluido freddo, in uno scambiatore temperatura di ingresso del fluido freddo, in uno scambiatore temperatura di uscita del fluido freddo, in uno scambiatore temperatura della faccia esterna di un cilindro cavo, o della superficie esterna di uno strato sferico temperatura del fluido caldo, in uno scambiatore temperatura di ingresso del fluido caldo, in uno scambiatore temperatura di uscita del fluido caldo, in uno scambiatore temperatura della faccia interna di un cilindro cavo, o della superficie interna di uno strato sferico temperatura della superficie di contatto tra due cilindri, o due sfere, concentrici temperatura di parete coefficiente globale di trasferimento velocità di un fluido attraverso l’area libera minima tra file di tubi volume di un corpo velocità lineare di un fluido all’interno di un tubo flusso in un film condensante distanza tra due paratie successive di uno scambiatore fattore correttivo nel caso in cui i flussi non siano né in equicorrente né in controcorrente rapporto adimensionale (eq. [31]) distanza tra gli assi di due tubi vicini di uno scambiatore Lettere greche r densità a diffusività termica b coefficiente di espansione termica di un fluido m viscosità dinamica di un fluido viscosità di un fluido alla sua temperatura media mb viscosità di un fluido alla temperatura della parete mw D parametro dell’equazione [54] G flusso di condensato per unità di perimetro t trasmettività di un corpo e emissività di una superficie l lunghezza d’onda s costante di Stefan-Boltzmann Stefano Carrà MAPEI Milano, Italia 317