Macchine ed Impianti del sistema agroalimentare

NOTE:

1) Il termine K è chiamato anche media armonica delle conduttanze.

2) La parete di separazione tra i 2 fluidi non è detto che sia costituita da

un solo materiale (potrebbe presentare una parete in acciaio e un'altra

di rame con spessori diversi). Si deve tenere conto di questo applicando

una formula dove i termini non cambiano ma si effettua una

sommatoria dei rapporti dei relativi spessori e conducibilità termiche di

ogni strato.

3) Il sistema funziona bene finchè sulla superficie di scambio non si va a

depositare del materiale. Si deve sempre tener conto del “fouling” ovvero

dello sporcamento della macchina. Con le pareti sporche si crea una

resistenza al passaggio del calore e si utilizzano quindi dei coefficienti

che essendo sommati riescono a determinare K.

Tanto più grande è K tanti più Watt è in grado di trasmettere il mio

scambiatore di calore a parità di superficie e delta termico.

APPLICAZIONI:

Una volta noti q, K e (Tfa-Tfs) è possibile determinare la superficie dello

scambiatore di calore, ossia dimensionarlo.

Sono noti:

- q = quantità di calore che io sono in grado di asportare in unità di

tempo.

- K = parametro che mi dice qual’è la potenza termica che è in grado di

scambiare lo scambiatore (coefficiente di scambio globale).

- Differenziale di temperatura tra il Fluido Alimentare e il Fluido di

Servizio. (salto termico)

Diventa però cruciale riuscire a stimare a priori sia il salto termico che il flusso

di calore necessario. In particolare possiamo indicare questo ordine logico di

operare:

1. Calcolo del salto termico (Tfa-Tfs)

2. Calcolo del flusso termico del fluido alimentare

3. Calcolo della portata e delle temperature del fluido di servizio

1) CALCOLO DEL SALTO TERMICO - Sull’asse delle x c’è una

dimensione → dimensione dello

scambiatore di calore.

- Divido due lati dello

scambiatore (lato sinistro e destro).

- Lo scambiatore è composto

da due tubi uno dentro l'altro (tubo

in tubo).

- Il fluido alimentare scorre nel

tubo centrale con direzione da

sinistra a destra. (Fluido alimentare

in entrata e in uscita).

- Il Fluido di servizio scorre nel

tubo esterno, entra a sinistra ed

esce a destra. (Fluido di servizio in entrata e in uscita).

- Abbiamo una controcorrente perfetta.

- Il Fluido alimentare in entrata ha una data temperatura che è diversa

da quella con cui uscirà. Stessa cosa vale per il Fluido di servizio.

- In questo caso il Fluido alimentare deve essere raffreddato e quindi il

Fluido di servizio in uscita sarà più caldo.

- Quindi FA si raffredda e il FS → si riscalda.

→

- Succede quindi che in ogni punto dello scambiatore il delta termico tra

il fluido alimentare e il fluido di servizio non è costante ma cambia

continuamente da punto a punto.

- DeltaTA : differenziale temp. lato A dove entra fluido alimentare ed esce

quello di servizio.

- DeltaTB : differenziale di temp. lato B dove entra il fluido di servizio ed

entra quello alimentare.

Se il Delta termico però non è costante io per applicare la formula in maniera

corretta devo riuscire a stimare un Salto Termico Medio.

Quando si parla di salto termico ci si riferisce, non al salto termico del fluido

alimentare, bensì al differenziale di temperatura tra il fluido alimentare e

quello di servizio.

↑ Si calcola il differenziale medio di

temperatura ricorrendo a quello che

è chiamato salto medio logaritmico o

differenza di temperatura media

logaritmica.

Da questa formula si ottiene un

differenziale di temperatura medio.

Ovvero quello che tiene conto meglio

della variazione di temperatura nel tragitto che i due fluidi compiono

all'interno degli scambiatori.

- Io in ogni momento ho un fluido caldo che incontra un fluido freddo, e

in ogni punto ho una differenza di temperatura variabile. Ho bisogno di

un salto termico medio.

2) CALCOLO DEL FLUSSO TERMICO DEL FLUIDO ALIMENTARE

Il Flusso Termico è q ovvero calore in unità di tempo devo essere in grado di

asportare o di cedere.

- Gfa = Portata volumica Fluido Alimentare (dimensione m3/s) è

determinata dalle caratteristiche dell’impianto.

- cfa = Calore specifico Fluido Alimentare (J/Kg x grado K o centigrado)

- Differenza di temperatura che io voglio ottenere sul fluido alimentare.

Ovvero Fluido alimentare in entrata - Fluido alimentare in uscita.

3) CALCOLO DELLA PORTATA E DELLE TEMPERATURE DEL FLUIDO DI

SERVIZIO.

Per quanto riguarda la portata del fluido di servizio, ovvero la massa che

nell’unità di tempo del fluido di servizio fluisce all’interno dello scambiatore si

ragiona come nel fluido alimentare:

- Devo asportare una certa quantità di calore da un fluido che si muove

con una certa portata.

- Devo conoscere la portata del fluido di servizio, il calore specifico del

fluido di servizio e il salto termico all’interno del fluido di servizio.

→ equazione che governa il

fluido di servizio (la medesima

che abbiamo studiato per il

fluido alimentare).

Il termine q deve essere comune ai due fluidi. (è noto).

- Tanto calore (in questo caso) io sottraggo al fluido alimentare la

medesima quantità di calore deve essere portata via dal fluido di

servizio.

Una volta determinato (ovvero la quantità di calore in gioco all’interno del

dispositivo) mi devo chiedere:

Che portata deve avere il fluido di servizio per effettuare questo lavoro?

↓

Posso trovarmi di fronte a 3 possibilità:

- Si calcola la portata «Gfs» → posso decidere quali sono le temperature

di entrata e di uscita del fluido di servizio. Negli alimenti generalmente

si contiene il salto termico in 3-5°C, in modo tale da limitare il

surriscaldamento della parete nel caso in cui il fluido debba essere

riscaldato.

- Nel caso in cui la portata «Gfs» sia imposta, si calcola la temperatura di

uscita (Tfsu) avendo già scelto quella di entrata (Tfsi).

Fluido di lavoro condensante.

- Io prendo un vapore e il fluido di lavoro è

un vapore che deve condensare sulla superficie dello scambiatore. Lo

scambio di calore in questo caso ha quindi funzione riscaldante del

fluido alimentare.

Il fluido alimentare che sta scorrendo freddo all’interno del tubo, le

pareti del tubo all’esterno vengono lambite da un vapore (che a tutti gli

effetti è un fluido di servizio), il fluido di servizio condensa sulla

superficie dello scambiatore e condensando cede una quantità di

calore che è pari al calore latente di vaporizzazione (condensazione).

I passaggi di stato avvengono a temperatura costante.

- C’è salto termico (tra Tfa e Tfs)

- Retta orizzontale (fluido di servizio

entra ed esce alla stessa temperatura)

non c’è salto termico all’interno del

fluido di servizio.

- Gfs vapore = portata vapore

- Il parametro che quantifica il calore

scambiato non è il calore specifico ma è

il calore latente di trasformazione, in

questo caso il calore latente di

vaporizzazione (condensazione).

- Calore latente (cL) è il calore per unità di massa che io devo fornire a

una sostanza per farla cambiare di fase (J/kg).

DISPOSITIVI:

Tipologie di scambiatori:

SCAMBIATORI A TUBI CONCENTRICI (tubo-in-tubo):

- E’ uno fra i più utilizzati in ambito

enologico, per birra e caffè.

- Ho due tubi concentrici.

- Si possono riconoscere delle

sezioni assemblate insieme e rendono il

sistema spesso di tipo modulare, ovvero

che posso aggiungere o togliere entro

certi limiti una o più sezioni andando a

cambiare il termine della superficie di

scambio.

- Generalmente il fluido alimentare

in questi dispositivi viene alimentato

centralmente e il fluido di servizio si trova

nel mantello esterno.

- Una strategia per aumentare i

valori della superficie di scambio è il

triplo tubo, ovvero si hanno 3 tubi

concentrici e il fluido alimentare fluisce

solo centralmente mentre nei tubi che

racchiudono il fluido alimentare viene

fatto scorrere solo il fluido di servizio.

- Valori di K molto alti (trasmittanza termica) dai 800-1500 W.

- Molto accessibile per manutenzione e pulizia.

- Applicano controcorrente perfetta.

- Costo medio.

- Pressioni elevate. Per fluidi poco viscosi.

SCAMBIATORI A FASCIO TUBIERO: - Molto utilizzati per prodotti lattiero

caseari.

- Insieme di tubi (dei fasci di tubi) che

sono assemblati alle due estremità su delle

piastre (piastre tubiere). A destra e a sinistra

delle due piastre si hanno degli elementi

cilindrici che costituiscono delle camere.

- Io alimento il fluido di servizio

all’interno del mantello intorno al fascio

tubiero; mentre alimento il fluido alimentare

da una delle due camere (riempio ad

esempio la camera a destra), il fluido penetra

e scorre all’interno del fascio tubiero, scambia calore all'interno del

mantello ed fuoriesce nell’altra camera (foto in fondo).

- Un’altra configurazione e quando si riconosce una sola piastra ad una

estremità del macchinario, piastra che presenta il solito elemento

cilindrico che però è diviso in 2 sezioni: parte superiore e parte inferiore,

alimento superiormente e raccolgo inferiormente (prima foto in alto).

- Controcorrente imperfetta: flusso è parte in controcorrente e parte no.

- Valori di K discreti (500-1500)

SCAMBIATORI A SPIRALE: - Sono due lame metalliche che si avvolgono e si

connettono tra loro, si distanziano tramite

distanziatori.

- Si avvolgono in maniera concentrica creando un

doppio canale all’interno della spirale.

- Uno di questi due canali viene generalmente

alimentato perifericamente con il fluido alimentare

mentre il fluido di servizio viene alimentato

centralmente eseguendo il percorso inverso.

- Controcorrente perfetta.

- Molto accessibili.

- Costo medio elevato.

- Valori di trasmittanza (K) 900-1200 W.

- Per fluidi poco viscosi.

SCAMBIATORI A SUPERFICIE RASCHIATA: - Funzionano molto bene

sui fluidi molto viscosi.

- Macchinari complessi

perché a differenza di quelli

visti fino ad adesso hanno

degli organi in moto.

- Più costosi.

- Ho due cilindri

concentrici (uno dentro l’altro)

all'interno del cilindro più

interno è presente un albero

rotante che radialmente lungo

il suo decorso porta delle

palette raschianti montate con dei supporti elastici.

- Il fluido alimentare viene alimentato centralmente all’interno del cilindro

centrale, mentre nel mantello esterno vi