Scambiatori di calore

MLDT

∆T ∆T

b a quantità di calore effettiva che viene

∆ −∆

 

riscrivendo tutto possiamo dire che q= U A scambiata nello scambiatore, vale sia

tot ∆

per quello in equicorrente sia per

∆ quello in controcorrente

I calcoli appena fatti fanno riferimento a uno scambiatore semplice, che è uno

scambiatore tubo in tubo molto usato nel settore alimentare perché è efficiente.

Per ottenere uno scambio termico sufficientemente elevato in alcuni casi può

diventare troppo costoso e si utilizzano altri scambiatori che sono leggermente

meno efficienti rispetto al tubo in tubo.

Però il calcolo che abbiamo effettuato vale per lo scambiatore tubo in tubo, allora

quando si tiene conto di strutture più complesse utilizziamo il ∆T con un fattore

MLDT

di correzione, che tiene conto che la conformazione dello scambiatore è differente

ed è un parametro indicato con F<1.

Questo ci dice che quando si va a scambiare il calore in uno scambiatore reale, che

non è tubo in tubo, si deve considerare un’efficienza e cioè una certa perdita.

Questo coefficiente è tabellato in funzione della tipologia di scambiatore, per

esempio se ho uno scambiatore a tubi e mantello (definito da un serbatoio, che è il

mantello, all’interno del quale viaggiano una serie di tubi. Il mantello è lo scatolotto

che sta fuori e i tubi sono quelli che passano dentro, ovviamente se il tubo entra

dentro deve pure uscire perché l’ingresso e l’uscita del tubo stanno sul mantello.) In

questo scambiatore si possono avere 12 passaggi nei tubi e un mantello. Per questa

tipologia di scambiatore il fattore di correzione è tabellato in funzione di due

parametri, il parametro P e il parametro R. t₁ e t₂ sono la temperatura in

ingresso del fluido freddo e quella in

uscita del fluido caldo.

P per come sono definite le

temperature è sempre < di 1.

−

2 1

P= −

1 2 −

1 2

Il parametro R = , può essere >

−

2 1

o < di 1. Per ogni valore di R si può

disegnare una curva.

Si prende lo scambiatore, si vede

che configurazione ha e si calcola P (es: 0.7) e R (es: 0,2). Si entra con P si sale finché

non si interseca la curva per R=0.2, dopodiché si traccia una retta parallela all’asse

delle ordinate e si prende per F il fattore (0,94). In questo modo possiamo dire che

∆ = ∙ ∆

(∆ calcolato per lo scambiatore tubo in tubo).

Prendiamo in considerazione un’altra modalità di calcolo per gli scambiatori di

calore che tiene conto di uno scambiatore esistente e che si adotta quando

vogliamo sapere se con un certo scambiatore si può effettuare uno scambio termico

con una certa potenza termica.

Mentre nel caso precedente il calcolo del ∆T ci serve perché generalmente si

MLDT

conosce Q (quantità di calore da scambiare nel tempo), si calcola in funzione delle

temperature in ingresso e in uscita del fluido caldo e del fluido freddo il ∆T e

MLDT

calcolo U (coefficiente di scambio termico) e quindi si è in grado di calcolare l’area.

Invece nel metodo Ꜫ-NTU si riesce a calcolare se un certo scambiatore che esiste è

sufficiente per una operazione unitaria che richiede un certo scambio termico.

Per prima cosa si determina l’efficienza di uno scambiatore (Ꜫ), che è il rapporto tra

la potenza termica che viene effettivamente scambiata dallo scambiatore e la

=

massima potenza scambiabile.

(0<<1 perché l’efficienza è un termine che presuppone un’inefficienza cioè dice

quanto si perde in un certo processo).

tiene conto di due fattori: il primo è dato dalle temperature.

Se immaginiamo di avere uno scambiatore in controcorrente e una superficie

infinita il ∆T è il massimo salto tra i due fluidi e sarà dato dalla temperatura in

max

ingresso del fluido caldo meno la differenza in ingresso del fluido freddo che è la più

bassa di tutto lo scambiatore, il tutto va moltiplicato per il cp e per m (dove m è la

portata massica). Quello che conta non è il valore del cp o della portata massica,

perché un cp basso per una portata massica elevata potrebbe dare un valore

complessivo della capacità del fluido di scambiare energia che è minore di un cp più

alto e una capacità termica più bassa; questo spiega perché si devono scegliere fluidi

che siano in grado di caricare o scaricare energia in maniera consistente (il massimo

possibile per unità di massa). Quindi, quello che conta è il cp e in secondo luogo a

conta la portata massica perché se abbiamo un cp elevato ma la portata massica è

minima cioè scambia poco fluido non si riesce a trasferire o prendere energia.

Per calcolare il massimo che si può scambiare si deve prendere la massima

differenza di temperatura per il collo di bottiglia (capacità termica minima che

dipende da quanto fluido scambio e da che fluido scambio). In definitiva si può avere

che la capacità termica minima è data dal fluido freddo C oppure se la capacità

F

termica è quella del fluido caldo quindi C > C , si prende come massima potenza

C F

scambiabile quella del fluido caldo. Dato un certo scambiatore si può definire che la

potenza che si scambia effettivamente è (T

W =C -T )

t,max min CI FI

Generalmente Ꜫ dipende da un fattore definito unità di trasmissione di calore

∙ 1

=

(NUT= ) e da

∙

C= <1.

In base a questi valori si può calcolare l’efficienza e in base all’efficienza si può

calcolare quello che si riesce a scambiare effettivamente per uno scambiatore

esistente. Questo metodo può essere utilizzato sia per calcoli di progetto che per

calcoli di verifica.

Classificazione degli scambiatori da un punto di vista meccanico.

scambiatori a miscelazione diretta dove nel momento in

cui si fa un’iniezione di vapore si miscelano le componenti

(Se immaginiamo un’autoclave dove si mettono lattine in banda stagnata (pelati,

piselli, fagioli) in quel caso si inietta vapore che quando arriva a contatto con la

superficie della lattina condensa e il calore che riesce a trasferire per passaggio di

fase è maggiore rispetto a quello che trasferisce con un modo convettivo o

conduttivo.

Se si deve effettuare un riscaldamento non si mette acqua calda ma vapore, si mette

vapore perché con l’acqua si ha difficoltà a raggiungere temperature elevate perché

l’acqua arrivata a 100° evapora a pressione ambiente e diventa vapore, quindi tanto

vale prendere vapore, e comprimerlo raggiungendo temperature elevate. Quando si

deve scambiare, il vapore entra nello scambiatore condensa all’interno dei tubi

quindi entra vapore ed esce vapore condensato e in questo modo si riesce a

ottimizzare il coefficiente di scambio termico nel tempo.)

Gli scambiatori a superfici raschiate sono utilizzati per fluidi ad alta viscosità e

consistono in uno scambiatore tubo in tubo dove all’interno c’è il fluido che subisce

il trattamento (fluido viscoso che si attacca alle pareti). Ha una lama che ruota in

prossimità delle pareti interne dello scambiatore e che rimuove il prodotto dalle

pareti, in questo modo rimescola all’interno dello scambiatore il prodotto in modo

che tutto il prodotto possa avere lo stesso trattamento termico.

Tra gli scambiatori di calore a piastre l’elemento

essenziale è quello di avere due piastre una sopra e una

sotto e all’interno una superficie di separazione

(composta da ondulazioni per aumentare la superficie di

scambio perché la superficie della lamiera ondulata è

maggiore rispetto a una superficie piatta).

Il processo di scambio termico è un processo misto dove

la conduzione e convezione raramente avvengono da soli, generalmente lavorano

accoppiati e in questo caso abbiamo convezione sopra e sotto perché i fluidi

camminano, vengono spinti dalle pompe e c’è trasporto di massa e quindi è un

processo di natura convettiva e poi abbiamo conduzione (trasferimento di calore

all’interno di un solido) nello spessore dello scambiatore (in questo caso spessore

dell’ondulazione). Nello scambiatore a tubi, immaginiamo che queste

tubazioni possono essere introdotte all’interno di un

mantello.

Le tubazioni interne riscaldano non solo la superficie

cilindrica sulle pareti esterne ma vanno a riscaldare

una serie di dischi che aumentano la possibilità di

dissipare calore (quindi di raffreddare o riscaldare)

perché aumentano la superficie esterna. Anche in questo caso le alettature servono

ad aumentare la superficie di scambio.

Gli scambiatori a piastre nel settore alimentari hanno due

piastre di impaccaggio (quelle rosse). Queste piastre sono

tenute insieme da una vite filettata. Ci sono una serie di viti

filettate (8 in questo caso) che servono a tenere compatta la

struttura. Al centro si mettono delle piastre con zigrinature

superficiali per aumentare la superficie e la turbolenza. Sopra

ogni piastra vengono montate delle guarnizioni (quelle in nero) che permettono la

suddivisione delle piastre che contengono il fluido caldo e il fluido freddo. Questo

scambiatore è in controcorrente o in equiocorrente a seconda di come si montano

gli ingressi e le uscite. (in questo caso lo scambiatore è in controcorrente).

Il vantaggio di questi scambiatori è che sono altamente modulari nel senso che se

abbiamo uno scambiatore e modifichiamo il processo (il prodotto va bene e se ne

vuole produrre di più però si devono aumentare le quantità di scambio termico)

sganciando due viti, aggiungendo un certo numero di piastre, e cambiando la pompa

perché se si aggiungono più piastre c’è bisogno di una pompa maggiore, ma si può

mantenere inalterata la struttura degli scambiatori.

Per pulire questi scambiatori fino a un certo tempo di utilizzo si possono pulire con il

Cleaning in Place (cioè si fanno passare le soluzioni di pulizia, le guarnizioni sono

fatte in maniera che possano resistere agli acidi). Se si vede che dopo un po’ c’è

stato un accumulo di materiale biologico o succede qualcosa per cui le temperature

di ingresso e in uscita variano significa che si deve e