Sistemi Energetici - Modulo II: Scambiatori di Calore e Pompe Centrifughe

1. SCAMBIATORI DI CALORE

INTRODUZIONE E CLASSIFICAZIONE

Uno scambiatore di calore è una macchina progettata appositamente per consentire il trasferimento di calore fra fluidi.

Una prima distinzione fra scambiatori identifica:

• Scambiatori a superficie: scambiatori che pongono un'interfaccia che separa fisicamente i fluidi che si scambiano calore.
• Scambiatori a miscela: scambiatori con i due fluidi in contatto diretto senza alcuna interfaccia che li mantenga separati.

L'assenza di interfacce negli scambiatori a miscela permette di massimizzare la superficie di scambio fra i fluidi; ma i grandi guadagni di superficie tentano di portare realmente i due fluidi in aggiungimento a temperature di equilibrio (se realmente impossibile in uno scambiatore a superficie di lunghezza finita dove assisteremo sempre a un ΔT).

Normalmente gli scambiatori si distinguono in base al moto del fluido al loro interno:

• Scambiatori unidirezionali: nel loro moto generare, i due fluidi scorrono in direzioni parallele. Questi potranno essere:
  • Scambiatori unidirezionali in equicorrente: il verso di movimento dei due fluidi è lo stesso.
  • Scambiatori unidirezionali in controcorrente: il verso di movimento dei due fluidi è opposto.

Gli scambiatori in controcorrente sono generalmente i più utilizzati in quanto a parità di dimensioni presentano rendimenti maggiori. Capita però di utilizzare scambiatori in equicorrente sotto particolari condizioni ove magari si richiede di limitare lo scambio termico.

• Scambiatori a correnti incrociate: le direzioni dei due fluidi sono appunto incrociate.
  • Esempio: Radiatore delle automobili: permette lo scambio di calore fra aria e acqua.

2. COEFFICIENTE GLOBALE DI SCAMBIO TERMICO

Prendiamo il caso di due fluidi in moto che cambiano tra loro fluido scorrendo entro un tubo di minimo tipo o recorre sesso.

Con riferimento alla superficie infinitesima dA avremo:

dQ_c = α_c (T_c - T_pc) dA     Potenza termica trasmessa dal fluido caldo alla parete

dQ_e = α_c (T_pc - T_c) dA     Potenza termica trasmessa dalla parete al fluido freddo

* dove α_c, α_e sono coeff. ricondizioni del fluido caldo/freddo

Scambiatori di Calore

Introduzione e Classificazione

Uno scambiatore di calore è una macchina progettata appositamente per ottenere lo scambio di calore fra fluidi. Una prima distinzione fra scambiatori identifica:

• Scambiatori a superficie: scambiatori che pongono un'interfaccia che separa fisicamente i fluidi che si scambiano calore.
• Scambiatori a miscela: scambiatori che pongono i due fluidi in contatto diretto senza alcuna interfaccia che li mantenga separati.

L'adozione di interfacce negli scambiatori a miscela permette di mantenere la superficie di scambio fra i fluidi, ma senza giungere ad una certezza di poter mantenere ai due fluidi in miscelazione a tem peratura di equilibrio senza cementare immobili in uno scambiatore a super ficie di lunghezza finita (ove assisteremo sempre ad un ΔT).

Normalmente gli scambiatori si distinguono in base al moto dei fluidi al loro interno:

• Scambiatori unidirezionali: nel loro moto generare i due fluidi scorrono in direzioni parallele. Questi potranno essere:
  • Scambiatori unidirezionali in equicorrente: il verso di riempimento tra i due fluidi è lo stesso.
  • Scambiatori unidirezionali in controcorrente: il verso di riempimento dei due fluidi è opposto.
• Gli scambiatori in controcorrente sono generalmente i più utilizzati in quanto a parità di dimensioni permettono rendimenti maggiori.
• Scambiatori a correnti incrociate: le direzioni dei due fluidi sono appunto incrociate.

Esempio: radiatori delle automobili: permet- tte lo scambio di ca- lore fra acqua e aria.

Coefficiente Globale di Scambio Termico

Prendiamo il caso di due fluidi in moto che cambiano tra loro calore scorrendo entro tubolari di forma di sezione secca.

Con riferimento alla superficie di interfaccia di A, avremo:

dQ_c = α_c (T_c - T_pc) dA po