Analisi delle proprietà termiche dei fluidi

Proprietà fisiche dei fluidi di lavoro

Il dipartimento di ricerca e sviluppo di SACOME continua a offrire ai propri clienti un servizio di analisi delle proprietà fisiche dei fluidi di servizio. L’obiettivo di tale analisi è la corretta caratterizzazione di quelle proprietà che hanno un’influenza diretta sul processo di trasferimento di calore. Le proprietà a cui ci riferiamo sono: calore specifico, conducibilità termica e viscosità.

Il punto di partenza nella progettazione di qualsiasi sistema di scambio termico è la definizione di come queste proprietà termiche si evolvono durante il processo, sia di riscaldamento che di raffreddamento. Una loro definizione errata può portare a una progettazione inefficiente o inadeguata.

Parametri di progettazione influenzati dalle proprietà termiche

In particolare, negli scambiatori di calore tubolari ci sono due parametri di progettazione che sono direttamente influenzati dalle proprietà termiche che sono state considerate:
 

• Area di scambio richiesta. Le proprietà termiche determinano (insieme ad altri parametri di processo) il regime di funzionamento dell’apparecchiatura, che si ottiene da diversi numeri adimensionali come il numero di Reynolds, il numero di Prandtl o il numero di Rayleigh, tra gli altri. I coefficienti di trasferimento del calore sono molto diversi a seconda che il flusso sia laminare, in transizione o turbolento. Pertanto, un’adeguata caratterizzazione delle proprietà consente di ottimizzare l’area di scambio dell’apparecchiatura. Di conseguenza, aiuta il progettista a regolare le dimensioni dello scambiatore di calore e, di conseguenza, il suo prezzo.

• Perdita di carico stimata. Anche se il suo ottenimento dipende anche dal regime di funzionamento (laminare, transizione o turbolento), in questo caso il parametro determinante è la viscosità. In generale, la viscosità dipende fortemente dalla temperatura, quindi l’ipotesi di un valore costante di temperatura può comportare un calcolo errato della perdita di carico quando l’intervallo di riscaldamento o raffreddamento è ampio. La conseguenza diretta sarà una cattiva dimensionamento dello scambiatore di calore tubolare, e anche del resto degli elementi dell’installazione, come pompe, valvole, ecc.

Caratterizzazione delle proprietà termiche dei fluidi

In SACOME abbiamo accesso a strumenti di misura e a personale altamente qualificato. Questo ci permette di caratterizzare le proprietà termiche dei fluidi in modo affidabile e preciso, a partire da un piccolo campione di prodotto:

• Calore specifico. Grazie a un calorimetro differenziale a scansione possiamo applicare un metodo di temperatura modulata in cui il campione viene riscaldato in diverse fasi di pochi gradi, separate da periodi isotermici, e con una rampa di riscaldamento espressa in ºC/min. La calibrazione del flusso di calore consente una misura esatta del calore specifico a basse e alte temperature.

• Conducibilità termica. Può essere ottenuta mediante misurazione indiretta della diffusività termica, applicando la tecnica del Flash Laser (LFA), o mediante misurazione diretta a contatto tramite sensore invertito, che effettua anche misurazioni di effusività. L’apparecchiatura consente anche di effettuare misurazioni a diverse temperature.

• Viscosità. Un gran numero di prodotti trasformati nel settore alimentare, così come molti residui di composti provenienti da tutti i tipi di industrie, mostrano un comportamento non newtoniano. Pertanto, la viscosità varia non solo con la temperatura, ma anche con la sforzo di taglio (direttamente correlato alla velocità di passaggio e al diametro della tubazione). Per una corretta caratterizzazione di questi fluidi è necessario effettuare uno studio reologico, utilizzando un reometro con la geometria adeguata e effettuando una scansione della velocità di taglio. Applicando le precauzioni necessarie per evitare che il campione si secchi, questo studio può essere effettuato in un ampio intervallo di temperature.