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Progetto scambiatori di calore
Introduzione
Uno dei componenti piu' utilizzati negli impianti petrolchimici e' lo scambiatore di calore : l'apporto o la cessione di calore e' infatti necessario nella maggior parte dei processi produttivi. In uno scambiatore si ha un trasferimento di energia tra una corrente ad una determinata temperatura ed una o piu' correnti a temperature diverse; in generale in uno scambiatore non si ha miscelazione : le correnti, normalmente allo stato liquido o gassoso, sono isolate tra loro, una delle correnti puo' essere costituita dall'aria ambiente.Le diverse tipologie costruttive
A seconda delle modalita' con cui avviene lo scambio sono stati studiati un'infinita' di apparecchi con tipologie costruttive funzione delle caratteristiche dei fluidi, per limitarsi ai piu' usati vi sono scambiatori a fascio tubiero, a piastre, con batterie alettate, a doppio tubo, con lame raschianti etc. le tipologie piu' comuni negli impianti petrolchimici sono:- Scambiatori a fascio tubiero
- Batterie alettate
- Scambiatori a piastre
Scambiatori a fascio tubiero
Sono costituiti da un mantello entro cui circola uno dei due fluidi (entrambi i fluidi sono isolati dall'ambiente esterno), il mantello contiene una serie di tubi entro cui circola il secondo fluido, lo scambio termico avviene in massima parte attraverso le pareti dei tubi interni. Sono possibili una serie di diverse tipologie costruttive, per identificare le tipologie piu' usate ci si riferisce comunemente alla codifica TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association).
Batterie alettate
In questi scambiatori uno dei fluidi e' costituito dall'aria ambiente che circola all'esterno di tubazioni che contengono il secondo fluido. Per migliorare il trasferimento termico, funzione della superficie di scambio, sul lato esterno sono generalmente previste delle alette. La circolazione dell'aria puo' avvenire in modo naturale o forzato (impiegando ventilatori o altri sistemi). Spesso negli impianti sono presenti scambiatori di raffreddamento (air-coolers) con circolazione forzata dell'aria, la progettazione comunemente segue gli standard API (American Petroleum Institute).Scambiatori a piastre
Di diffusione relativamente recente (a partire dagli anni settanta) offrono diversi vantaggi tra cui una sensibile riduzione delle dimensioni esterne (a parita' di calore scambiato). Sono costituiti da una serie di camere entro cui circolano i fluidi, le caratteristiche le dimensioni ed il numero delle camere vengono selezionate in funzione del tipo di processo di scambio.Le procedure di dimensionamento
Le procedure di dimensionamento degli scambiatori di calore includono due fasi : dimensionamento termodinamico o calcolo delle superfici di scambio ed il dimensionamento meccanico, le due azioni possono risultare integrate (i migliori programmi di calcolo consentono di progettare l'intero scambiatore sino all'emissione dei disegni costruttivi in una unica sessione). Il dimensionamento termodinamico consente di valutare la quantita' di supericie di scambio necessaria, nel calcolo si impiegano correlazioni il cui campo di applicazione dipende dalle caratteristiche del processo di scambio e dalle caratteristiche termofisiche dei fluidi. Per tenere conto della variazione delle caratteristiche dei fluidi (stato dei fluidi, proprieta' trasporto, proprieta' termodinamiche) alle diverse condizioni operative che si instaurano all'interno di uno scambiatore il calcolo viene suddiviso in piu' sottoprocedure che risolvono di volta in volta una limitata zona dello scambiatore per cui si possono assumere delle caratteristiche costanti. L'esecuzione del calcolo per zone con correnti multicomponente e/o quando si verifichino cambiamenti di fase richiede in genere la presenza di un generatore di proprieta' per la stima della proprieta' di fluidi puri e miscele alle diverse condizioni operative.Generatore di proprieta' dei fluidi puri e miscele
Ha il compito di eseguire i calcoli per la stima delle proprieta' termofisiche (trasporto, equilibrio etc.) dei fluidi puri e miscele trattati nello scambiatore. Il package include normalmente una banca dati con le proprieta' dei componenti puri, di esteso impiego sono le correlazioni sviluppate da DIPPR (vedi sezione banche dati). Per il calcolo dei valori di equilibrio e la correzione dei valori di entalpia nel package sono generalmente inclusi modelli termodinamici basati su equazioni di stato e derivazioni dell'equazione Gibbs-Duhem (Wilson, NRTL, Uniquac etc.).Gli algoritmi risolutivi
Il dimensionamento degli scambiatori viene generalmente svolto in modo da identificare le condizioni di massimo trasferimento termico (corrispondenti alla minima superficie di scambio), queste generalmente corrispondono alle condizioni di massima turbolenza dei fluidi (numero di Reynolds piu' elevato), l'aumento del numero di Reynolds provoca tuttavia anche un aumento delle perdite di carico attraverso l'apparecchio, l'obbiettivo del risolvitore e' quindi quello di identificare la minima superficie di scambio che assicuri il necessario trasferimento termico alle condizioni operative (pressioni, temperature all'ingresso ed uscita dell'apparecchio) specificate. La procedura risoltiva e' di tipo iterativo, il programma svolge in sequenza una serie di calcoli sino ad identificare un minimo (la superficie di scambio) di una funzione.Guida ai prodotti disponibili
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