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Scambiatori di calore, coefficienti di scambio e velocità tipiche dei fluidi

L’abitudine ad utilizzare i computer per dimensionare gli scambiatori di calore, toglie molte volte la sensazione di quello che si sta facendo…mi spiego.

Per progettare uno scambiatore di calore si utilizzano ormai diffusamente programmi dedicati, che nel giro di pochi secondi, facendo diverse interpolazioni, rendono un risultato affidabile, preciso e corretto. Praticamente è sparita la figura dell’ingegnere che calcolatrice scientifica (non voglio citare il vecchio regolo) alla mano, tabelle di fluidi, coefficienti di scambio tipici ecc…dimensiona lo scambiatore, i tubi, i setti, ecc…

Proprio a seguito di queste riflessioni, mi capita spesso di fermarmi ed analizzare i risultati, soprattutto quando questi mi sembrano poco “realistici”. In pratica do una rapida occhiata ai coefficienti di scambio, per valutarne la coerenza con i valori tipici, poi analizzate le perdite di carico di progetto, controllo i valori delle velocità dei fluidi.

Coefficiente di scambio negli scambiatori di calore e velocità tipiche

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Miscelazione dei fluidi negli scambiatori di calore (2)

Una soluzione che scongiura in modo sicuro la possibilità che due fluidi si possano miscelare all’interno di uno scambiatore di calore, in caso di rottura, è rappresentata dall’esecuzione a doppia parete.

Si tratta di una soluzione piuttosto costosa, sia in termini costruttivi che energetici, infatti prevede la presenza di una vera e propria “doppia parete” o in gergo tecnico “double wall”, quindi nel caso di scambiatori di calore a piastre di doppie piastre di scambio, per gli scambiatori a fascio tubiero di “tubi a doppia parete”.

scambiatore a piastre per imbottigliamento bevande

Risulta facile capire che al maggior costo di realizzazione dovuto sia all’incremento di materiale costruttivo che alla maggiore sofisticazione realizzativa, si aggiunge una minore efficienza termica di scambio, che deve essere compensata con maggiore superficie, infatti come si può facilmente evincere da qualsiasi programma di progettazione per scambiatori di calore:

coefficiente di scambio più basso —> maggiore superficie di scambio

Dal punto di vista sicurezza, è “la” soluzione che viene adottata ad esempio nei processi farmaceutici o alimentari, dove assolutamente deve essere tassativamente scongiurato ogni eventuale rischio di miscelazione del prodotto con il fluido di raffreddamento o riscaldamento…un esempio su tutti, le bevande o i medicinali iniettabili.

Scambiatori di calore a doppia parete tubo in tubo

Miscelazione dei fluidi negli scambiatori di calore

Nel mio ultimo post, parlavo di miscelazione dei fluidi negli scambiatori di calore.

Vorrei portare l’attenzione su di un argomento a mio avviso importante nella scelta del tipo di scambiatore.

Quando si parla di scambiatori a piastre nei confronti di classici scambiatori a fascio tubiero, spesso ci si confonde relativamente all miscelazione dei due fluidi in gioco. In uno scambiatore a piastre infatti la miscelazione tra i due fluidi, può avvenire esclusivamente in caso di foratura di una (o più) piastra.

Tale evento non è scongiurabile, infatti le cause possono essere molteplici:

scambiatore a piastre guarnizioni ridondanti nella zona del bocchello

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Olio nell’acqua o acqua nell’olio.

Gli scambiatori di calore vengono utilizzati spesso per il raffreddamento di impianti idraulici o di lubrificazione, in quanto qualsiasi macchinario o impianto che utilizza azionamenti idraulici, ha necessità di smaltire il calore ceduto dalle pompe e/o dal movimento meccanico generato, all’olio stesso.

Spesso vengono utilizzati scambiatori ad aria, in quanto le temperature di menteniento dell’olio non sono molto spinte (+45+50°C). Molte volte però il raffreddamento ad aria non è sufficiente, quindi si utilizzano scambiatori olio/acqua.

scsambiatore di calore a piastre su cenrtalina oleodinamica

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Manuali di uso e manutenzione e smartcode

Abbiamo inserito da qualche settimana a livello sperimentale gli smartcode sui nostri apparecchi, questo come spiegavo nel post dedicato, per facilitare il compito del personale di assistenza nel reperimento di informazioni utili alla manutenzione, messa in funzione, verifica in campo delle macchine, quando magari non trovano il relativo manuale.

In effetti l’introduzione si sta rivelando un interessante metodo per fornire una copia del manuale di uso e manutenzione, quando e dove se ne sia perso l’originale fornito a corredo della macchina.

Scambiatore di calore a piastre

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Torri evaporative no plume

Le torri di raffreddamento evaporative, hanno il pregio di essere macchine semplici con una elevata efficenza termica.

Purtroppo hanno qualche controindicazione o meglio necessitano di una certa attenzione nella gestione:

  • manutenzione programmata
  • controllo dell’acqua
  • trattamento dell’acqua

sono solo alcuni degli aspetti più evidenti che più volte ho ripetuto in precedenti post.

Un altro aspetto che si evidenzia soprattutto durante la stagione invernale è la presenza del pennacchio di vapore che ne contradistingue il tipo di funzionamento “evaporativo”. Molti clienti per salvarsi dalle critiche di ambientalisti magari poco esperti nell’argomento, applicano enormi cartelli con la scritta “vapore acqueo”, sui camini di espulsione dell’aria calda ed umida.

Pennacchio tipico delle torri evaporative

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Temperature di bulbo umido e torri evaporative

Ogni tanto torno sui miei passi, ma sicuramente ci vuole.

Proprio oggi sono stato a vedere un impianto entrato in funzione da poco, si tratta di un sistema di raffreddamento di una sala compressori, realizzato con un raffreddatore evaporativo a circuito chiuso, asservito da un sistema di pompaggio, con relativo quadro elettrico di comando e controllo.

Il sistema è interessante, in quanto il cliente ha una spiccata attenzione all’energia, ed ha richiesto un sistema con i motori dei gruppi di pompaggio in classe di efficienza 1, inverter sul motore del ventilatore del raffreddatore, legato ad un termoregolatore elettronico ad azione PID, in funzione della temperatura dell’acqua raffreddata.

E’ evidente che in questa stagione il sistema di regolazione della temperatura è piuttosto superfluo, in pratica il sistema viaggia sempre alla massima velocità, anche perchè…

Raffreddatore evaporativo a circuito chiuso con sistema di pompaggio

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Scambiatori per il riscaldamento del combustibile

Un utilizzo interessante degli scambiatori di calore, è quello legato al preriscaldamento dell’olio combustibile, per l’alimentazione di motori endotermici

Si tratta di una tipica applicazione su motori diesel a gasolio o nafta pesante, tipicamente motori marini per applicazioni navali.

In questo genere di applicazioni si usano scambiatori a piastre saldobrasate, alimentati a vapore a passa pressione (3-4 barg), per preriscaldare il combustibile (fuel oil) anche fino a temperature di 100°C, in modo che sia fluido al momento di arrivare agli iniettori.

Facciamo parecchie applicazioni di questo tipo per navi mercantili, traghetti, navi da crociera ecc…

Il coefficiente di trasmissione tipico si aggira sugli 800/1000 W/m²,°C e si tratta in genere di scambiatori piuttosto piccoli.

scambiatori saldobrasati per riscaldamento olio combustibile per motori marini

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Dissipazione di emergenza nella cogenerazione

Tutti gli impianti di cogenerazione, indipendentemente dalla taglia e dalla tipologia, necessitano di un sistema di dissipazione di emergenza del calore.

Infatti nel caso in cui il calore generato dal motore endotermico o turbina, on venga utilizzato, deve essere smaltito/dissipato in qualche altro sistema.

Radiatori V TYPE per impianto di cogenerazione

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Convertire le unità di misura

Ogni giorno mi ritrovo a dover convertire una qualche unità di misura legata allo scambio termico o al raffreddamento:

  • Kilowatt in Kilocalorie
  • Joule in Kilocalorie
  • viscosità cinematica

per citarne alcuni dei più prequenti…oppure semplicemente convertire da unità di misura anglosassoni in unità del sistema internazionale.

Praticamente quando devo dimensionare degli scambiatori di calore, delle torri evaporative, degli elettroradiatori, dei chiller, insomma qualsiasi macchina termica, sono alle prese con unità di misura da rendere coerenti fra di loro per poter effettuare i relativi calcoli di carico termico, portate, perdite di carico ecc…

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