Dimensionamento degli scambiatori di calore tubolari

Scelta della configurazione e delle finiture nella progettazione degli scambiatori di calore

SACOME offre configurazioni specifiche per applicazioni con requisiti speciali: attrezzature smontabili per ispezione e pulizia complete; doppie piastre tubiere per garantire la non contaminazione del prodotto, montaggi inclinati per una totale drenabilità del prodotto, ecc.

Inoltre, SACOME garantisce finiture con rugosità superficiale controllata per applicazioni sanitarie e applicazioni farmaceutiche.

Dimensionamento termico dello scambiatore di calore tubolare

A partire dalla definizione dello scambiatore di calore tubolare, il punto chiave nel lavoro del progettista è il dimensionamento dell’apparecchiatura. Il progettista deve calcolare l’area di scambio ottimale che consenta di realizzare il processo specificato, soddisfacendo tutti i requisiti imposti dal cliente.

A tal fine si applica la seguente equazione di trasmissione, dove;Q è la potenza scambiata dai fluidi, U è il coefficiente globale di trasferimento termico, A è l’area di scambio e LMTD è la differenza logaritmica media delle temperature.

Questa equazione deve essere discretizzata lungo lo scambiatore di calore in un numero sufficiente di sezioni: l’efficacia del trasferimento di calore tra i fluidi varia lungo lo scambiatore di calore perché, tra le altre ragioni, le proprietà termiche variano con la temperatura e ci sono complessi fenomeni termici che si sviluppano lungo lo scambiatore tubolare.

Per comprendere la procedura di calcolo, è possibile applicare l’equazione di trasmissione all’intero scambiatore di calore e ottenere una prima approssimazione dell’area di scambio richiesta. Di seguito, questa procedura è illustrata in uno scambiatore a due tubi concentrici che processa fluidi liquidi in controcorrente.

Determinazione della potenza scambiata

Si ottiene direttamente dai dati di processo già stabiliti per il prodotto, che sarà normalmente trattato dal tubo interno.

Determinazione della differenza logaritmica media delle temperature

È definita tra due sezioni dello scambiatore di calore e dipende dalle temperature di ingresso e di uscita del prodotto e del servizio. Quando si applica all’intero scambiatore tubolare, queste quattro temperature sono note; quando si applica su una discretizzazione, ci sono valori a priori sconosciuti ed è necessario eseguire un processo iterativo di convergenza.

Determinazione del coefficiente globale di trasferimento termico

Si ottiene come somma di ciascuno dei resistori termici presenti:

Resistenza termica di convezione

Valuta il trasferimento di calore che si verifica per convezione in entrambi i canali di passaggio del fluido. È inversamente proporzionale al coefficiente di trasferimento termico del fluido, h.

Nel canale del prodotto, essendo D_p e d_p i diametri esterno e interno del tubo interno, è:

Nel canale di servizio è:

Il passaggio critico nella progettazione dello scambiatore di calore è proprio la determinazione dei coefficienti di trasferimento termico h in modo affidabile e preciso; un calcolo errato di tali coefficienti comporterà un funzionamento insufficiente dello scambiatore di calore , arrivando persino a non raggiungere le temperature desiderate.

A seconda del canale di passaggio (tubo, corona anulare, ecc.) e del regime del flusso (laminare, turbolento, ecc.) sarà necessario stabilire un’adeguata correlazione empirica per il numero di Nusselt Nu, che è il parametro adimensionale da cui si ottiene il coefficiente di trasferimento h. In generale, il Nusselt dipenderà da altri parametri adimensionali come il numero di Reynolds, il numero di Prandtl, il numero di Graetz, il numero di Grashof, ecc.

Resistenza termica di conduzione

Valuta il trasferimento di calore che si verifica per conduzione nel tubo interno che separa i due fluidi. Per un tubo, essendo k la conducibilità termica del metallo, è definito come:

Resistenza termica all’imbrattamento

Durante il funzionamento dello scambiatore di calore, è normale che sulle superfici a contatto con i fluidi si depositino pellicole formate dalle impurità dei fluidi stessi. Queste resistenze all’imbrattamento, o “fouling”, peggiorano il trasferimento di calore.

Nelle applicazioni, generalmente industriali, in cui è necessario ritardare l’arresto dello scambiatore tubolare per la pulizia, è pratica comune considerare che queste resistenze extra saranno presenti fin dall’inizio, con il risultato che l’apparecchiatura è sovradimensionata. Nelle applicazioni alimentari non vengono considerate, poiché i lavori di pulizia sono più continui.

Nel canale del prodotto è:

Nel canale di servizio è:

Calcolo dell’area di scambio richiesta

Applicando direttamente l’equazione di trasmissione, è possibile ottenere l’area di scambio richiesta. Poiché il diametro del tubo interno è già stato fissato, la soluzione al problema consiste nell’ottenere la lunghezza totale dello scambiatore L_t.

Il risultato ottenuto è l’area teorica richiesta. Ma è necessario selezionare una lunghezza di tubo esistente sul mercato, L: se tale lunghezza è inferiore a quella teorica, allora è necessario disporre di un determinato numero di scambiatori, n, in serie.

In ogni caso, sarà sempre consigliabile scegliere un’area di scambio maggiore di quella teorica, in funzione della maggiore o minore incertezza che esiste nel determinare le proprietà termiche dei fluidi, le resistenze di sporcamento o i fattori di trasferimento termico. Per quantificare questo sovradimensionamento, viene definito un coefficiente globale di trasferimento termico richiesto o “sporco”: