Sistemi Energetici - Scambiatori di Calore

Scambiatori di calore

Sono classificabili in 3 macroclassi:

A miscela

• 2 ingressi - 1 uscita
• I fluidi devono essere compatibili
• Buona efficienza: i fluidi escono alle stesse temperature
• Economici: scambiano grandi potenze con contenuti volumi

Rigenerativi

Funzionamento: di tipo instazionario ad accumulo. Il fluido caldo cede calore a massa porosa con elevato rapporto superficie/volume. Successivamente la massa porosa cede il calore al fluido freddo. Possono essere:

• Statici: le correnti permangono in modo alternato nello scambiatore
• Dinamici: è lo scambiatore che ruota (Ljungstrom)

I fluidi devono essere compatibili. Serve un (Tc-Tf) elevato

Tc-T_incason > ΔT_min

T_mezion-T_F > ΔT_min

Tc-Tp > 2·ΔT_min

I fluidi devono avere pressioni simili al fine di limitare il trasferimento. C'è una parziale miscelazione sempre e comunque.

Scambiatori di calore (ripetizione)

Sono classificabili in 3 macroclassi:

• A miscela
  • 2 ingressi ➔ 1 uscita
  • I fluidi devono essere compatibili
  • Buona efficienza: i fluidi escono alle stesse temperature
  • Economico: trasferisce grandi potenze con contenuti volumi
• Rigenerativi
  • Funzionamento: di tipo istroterico ad accumulo. Il fluido caldo cede calore a massa porosa con elevato rapporto superficie/volume. Successivamente la massa porosa cede il calore al fluido freddo.
  • Possono essere:
    • Statici: le correnti percorrono in modo alternato nei reconsitore
    • Dinamici: è lo scambiatore che ruota (Ljungstrom)

I fluidi devono avere pressioni simili al fine di limitare il trasfilamento. C'è una parziale miscelazione sempre e comunque. Serve un (Tc-TF) elevato.

Tc-T_mez.false > ΔT_min

T_mez.false-T_F > ΔT_min

Tc-Tp > 2・ΔT_min

Scambiatore a superficie

Definito dispositivo che facilita lo scambio di calore tra due fluidi a temperatura diversa; i due fluidi sono momentaneamente separati da una superficie di materiale.

Sulla base del criterio adottato abbiamo 3 differenti classificazioni:

Stato fisico del fluido

• Con passaggio di fase
  • Condensatore
  • Evaporatore
• Senza passaggio di fase

Direzione dei flussi

• Equicorrente: flusso hanno medesima direzione e verso
• Controcorrente: flusso hanno medesima direzione ma versi opposti
• A flusso incrociato: hanno direzioni ortogonali
• Misti: alcuni flussi sono in parallelo
• Puri: solo direzione perpendicolare al tubo

Tipologia e realizzazione

• A fascio tubiero
• A doppio tubo: fascio o singoli tubi concentrici di diametro differente
• A tubi più mantello (cuore delle caldaie)
• A piastre: molti comparti ha le piastre corrugate in modo da formare piccoli canali; la disposizione è tale da consentire flusso caldi e freddi
• A fascio lamellare

Andamento piano T-Q

Ip: uno scambiatore qualsiasi (equicorrente, controcorrente o in flusso incrociato) orario: no perdite tecniche, regime stazionario. Velocità in/out dei due flussi simili.

Applichiamo l'equazione di conversione dell'energia, si ottiene:

Q̇_F = Q̇_C

ṁ_F(h₂-h₃) = ṁ_C(h₃-h₄)

Flusso:

ṁ_C C_p^c(T₂-T₁) = ṁ_C C_p^C(T₃-T₄)

Caso equicorrente

T_F = T₁ + Q / ṁ_F C_F^F

T_C = T₃ - Q / ṁ_C C_p^c

β = ond_y (1/ṁ_C C_p^c)

α = ond_y (1/ṁ_F C_p^F)

Caso controcorrente

T_F = T_IN^F + Q / (ṁ C_p)_F

T_C = T_IN^c - Q / (ṁ C_p)_C

ΔT_LF = T_OUT^C - T_IN^F

ΔT_LC = T_IN^C - T_OUT^F

Equazione cardinale dello scambio termico

Dato uno scambio di calore a superficie in equicorrente il calore scambiato su un tratto dX è esprimibile come:

dQ = ...