Progettazione e gestione degli impianti delle imprese alimentari

Equazioni per il calcolo del calore

ΔTcome: Q = m (kg) Cp (KJ/kg °C) (°C) dove la massa m può essere anche la portata m° (kg/h) e in questo caso non si parla di energia ma di potenza (KJ/h); oppure quando si utilizza la massa si stabilisce che il processo avviene in un certo tempo e quindi si passa alla potenza.

Nel caso in cui avviene un cambiamento di stato si ha anche il calore latente (r) quindi: Q = P (cΔT + r) = d v S (cΔT + r) dove P è il flusso kg/s, c è il calore specifico (kJ/kg °C), il gradiente di temperatura, r il calore latente (kJ/kg), d è la densità (kg/m^3), v la velocità e S la sezione del tubo.

In genere in un processo produttivo si usano le ore in cui avviene; la portata può essere espressa come sezione (m^2) x velocità (m/s) x densità (kg/m^3) che sono i tre parametri che caratterizzano il tubo. Nel caso in cui si ha la portata volumetrica, allora non è presente la densità ma solo v x S.

questo fa capire che per portare una grande quantità di calore contribuisce il calore latente e se la somma del calore sensibile e latente è molto grande allora la portata può essere più piccola, in modo particolare la velocità e la sezione. La velocità di un fluido liquido senza passaggio di stato è di 1-2 m/s, mentre con il vapore si ha una velocità di circa 10-20 volte di più; con il calore latente il parametro diminuisce, la velocità per avere stesso lo Q può avere un valore più basso, come anche S che è la sezione, quindi il diametro del tubo può essere diminuito (tanto più costoso tanto più è grande); questa situazione evidenzia che il fatto di avere calori più grandi permette di avere sezioni più piccole a parità di Q, quindi si ha un modo per ottimizzare l'impianto dal punto di vista dei costi. La possibilità di utilizzare un fluido

Il calore latente mette in gioco impianti economicamente più vantaggiosi e un sistema di distribuzione più coerente.

L'aria ha il problema di avere una bassa capacità di scambio termico, ovvero un Cp più piccolo, quindi è poco vantaggiosa. La soluzione più economica è l'aria, ma essa possiede un Cp che è 1/4 di quello dell'acqua, quindi per portare lo stesso Q sono necessarie portate quattro volte maggiori.

L'acqua ha un costo perché è necessario un pozzo, quindi un elemento impiantistico di estrazione. Dal punto di vista economico l'aria sarebbe la migliore, ma essa possiede un Cp molto inferiore pari a 1,007 kJ/kg°C. Il coefficiente globale di scambio termico è basso e quindi non efficiente; c'è la necessità di avere quindi tubi di grandi sezioni (S aumenta) e possibilmente corrugati perché avendo un coefficiente globale di

scambio termico negativo, l'aria tende ad avere un moto laminare che non trasferisce bene calore, quindi si cerca di favorire quello turbolento. L'aria viene generalmente prodotta da generatori a tubo di fumo, ovvero sfruttando il fumo che si produce dal processo di combustione: si hanno bruciatori dove fumi vengono incanalati in tubi e all'esterno c'è il fumo che si vuole scaldare (aria) con un buon coefficiente di rendimento pari a 0,86-0,88. Quando si ha aria calda si parla di processi a bassa temperatura (50°C) come l'appassimento, oppure ad alte temperature fino a 300°C per i processi di essicazione in torrefazione.

Spesso si preferisce utilizzare altre soluzioni come l'acqua calda e surriscaldata sfruttandone le caratteristiche che garantiscono ottimi risultati; il processo di surriscaldamento implica di superare il punto di ebollizione e giocare con le pressioni. Queste situazioni portano a una complicazione di impianto rispetto

all'acqua calda perché vuol dire portare tutto a pressione e avere acqua fino a 120°C. Con l'acqua calda si raggiungono massimo 100°C, quindi viene usata per le operazioni di cottura. Il calore specifico è pari a 4,186 kJ/kg°C e ha un coefficiente di scambio termico buono ottenendo impianti semplici: si ha in genere un boiler che genera vapore, un vaso di espansione perché l'acqua varia il suo volume nel processo di riscaldamento e poi due utenze. Con l'acqua ΔT riscaldata, si ha calore sensibile a disposizione e quindi il ΔT è maggiore pur non essendoci il calore latente, ottimizzando anche dal punto di vista della sezione a parità di calore. Giocando con questo parametro l'obiettivo è sempre di ottimizzare capendo quali sono i parametri che hanno un impatto impiantistico, nel caso specifico la sezione e la velocità. L'acqua con il riscaldamento favorisce la rotazione nelle tubazioni che rimangono.

Pulite e si segue una circolazione naturale. Quando si ha un impianto con acqua o liquidi in generale nell'industria alimentare bisogna fare attenzione all'igiene tra fluido e prodotto: il far passare un fluido in un generatore rappresenta un punto delicato, quindi bisogna separare la parte del boiler che può essere potenzialmente sporca e il cambiatore di calore che genera il riscaldamento dell'acqua; si mettono delle barriere evitando di creare dei problemi al prodotto. In molti ambiti non esiste questo pericolo, mentre nell'industria alimentare è fondamentale e l'acqua non deve essere inquinata in quanto può essere a contatto con il prodotto. L'acqua è un fluido di costo contenuto e l'impiantistica è semplice; quando l'acqua subisce un riscaldamento cambia densità per cui un'acqua fredda pesa di più di quella calda e quindi ha un percorso di circolazione naturale; si ha un problema.

in quanto può rilasciare calcare che può favorire una modifica del comportamento delle tubazioni e di variazione delle perdite di carico; in generale, il deposito di sostanze sulle tubazioni causa il problema del Fauling che è una componente che deve essere eliminato per ripristinare prestazioni termiche. Un altro elemento importante per la progettazione di un impianto con acqua calda è il vaso di espansione che tiene conto del cambio di volume per permettere questa fluttuazione. Se nel passaggio nelle tubazioni si ha deposito di calcare può succedere che la circolazione naturale non sia più sufficiente e quindi si ha la circolazione forzata inserendo prima del boiler una pompa che raccoglie l'acqua fredda e la spinge nel boiler dove viene riscaldata (autoclavi che permettono di spostare liquido nell'impianto). L'impianto presenta una criticità legata al fatto che l'acqua dal boiler va all'utenza; i fumi sonosporchi e rispetto all'acqua ci sono superfici che mantengono la separazione. Tuttavia, l'utenza può essere una situazione di lavaggio o un scambiatore di calore e si può avere una situazione in cui l'acqua calda è sporca a livello di boiler a causa dei fumi o del lubrificante e quindi può non essere più potabile (food grave); è una criticità. Si ipotizza quindi di fare un'organizzazione impiantistica diversa, ovvero si pone una barriera in più, ovvero uno scambiatore di calore. Il boiler agisce su un fluido (calda o riscaldata), poi interviene lo scambiatore (seconda barriera) e poi l'utenza (terza barriera). Tendenzialmente nel primario del circuito in cui si ha boiler nelle tubazioni circola vapore che permette di avere il passaggio di stato e quindi nello scambiatore di calore si produce acqua calda che va all'utenza; fin dall'inizio si prevede una circolazione forzata. Una situazionecon il vantaggio che mettono in gioco un'alta temperatura a una bassa pressione. In questo modo, l'impianto non deve avere accorgimenti di sicurezza per la pressione; la soluzione è di mettere questi fluidi a livello solo di primario (lunghe catene di idrocarburi combinati) per raggiungere alte temperature e una stabilità in termini di liquido a 1 atm. L'impianto è a 1 atm e cede a livello dello scambiatore il calore all'acqua o si può anche avere la produzione di vapore. Il vantaggio è che tutta la parte del boiler che è delicata dal punto di vista della sicurezza è a 1 atm, quindi non si ha nessuna necessità di patentino di gestione degli impianti per il basso livello di pericolosità. Più cresce il livello di sicurezza, maggiore è il costo dell'impianto. Il fluido che si utilizza maggiormente è il vapore d'acqua, che è utilizzato perché cede a livello.molto precisa. Inoltre, il vapore ha anche la capacità di condensarsi, rilasciando il calore latente, il che lo rende particolarmente adatto per applicazioni di riscaldamento e raffreddamento. Il calore latente è una quantità molto importante perché rappresenta l'energia necessaria per cambiare lo stato di una sostanza senza variare la sua temperatura. Nel caso dell'acqua, ad esempio, per far passare l'acqua da stato liquido a stato gassoso (vapore), è necessario fornire una certa quantità di calore latente. Considerando una variazione di temperatura di 30°C, si può calcolare il calore che può portare l'acqua considerando un valore unitario di massa. Questo calore è pari a 126 kJ/kg. Nel caso del vapore, il calore specifico (Cp) è circa la metà rispetto all'acqua (2,007). Inoltre, al calore sensibile va aggiunto anche il calore latente (r), che è pari a 2260 kJ/kg. Quindi, nel caso del vapore, si ottiene un calore totale di 2321 kJ/kg, che è circa 18-19 volte superiore rispetto all'acqua. Il vapore ha quindi un rapporto di calore molto più elevato rispetto all'acqua. Questo rende il vapore relativamente economico e svolge un ruolo fondamentale nella trasmissione di calore e nel trasporto di fluidi. Le sue caratteristiche sono ben note grazie alle tabelle che permettono di caratterizzare il vapore in modo preciso.

dettagliata e inoltre è noto il suo impatto in termini di corrosione (possibilità trattare acqua). Il vapore ha un'efficienza molto alta in termini di produzione di energia e di calore; è un bu