Scelta dei materiali nella progettazione di uno scambiatore di calore ...

Scambiatore di calore a tubi e mantelloShell-and Tube Heat ExchangersCondizioni di funzionamento• pressioni - vuoto spinto / 15000 psi• temperature - prossime a 0 K / 1400 KCampi di utilizzo e funzionalità• impianti per raffinazione del petrolio e per processi chimici - scambio termico• impianti di potenza - generatori di vapore, condensatori, bollitori, refrigeratori• sistemi per il condizionamento - condensatori ed evaporatori• sistemi per il recupero di calore - condensatori e dispositivi di recupero termicoStandard costruttivi• Standards of the Tubular Exchanger Manufacturers Association• ASME Boiler and Pressure Vessel Code - Section VIIIScambiatore di calore a tubi e mantelloComponenti della resistenza termica checaratterizza la trasmissione di calore(forma semplificata).• A i , A e - aree delle superfici interna edesterna del tubo• h i , h e - coefficienti di scambio termico allesuperfici interna ed esterna (convezionefluido-tubo)

Scambiatore di calore a tubi e mantelloFlussi in controcorrenteScambiatore di calore a tubi e mantelloFlussi in correnteMeno efficiente dal punto di vista dello scambio termico(T h,osi mantiene sempre superiore a T c,o)

Scambiatore di calore a tubi e mantelloNumero di passaggiNomenclatura e classificazione secondo TEMA

Nomenclatura e classificazione secondo TEMAClassificazionedelle configurazioniScelta della configurazioneIn funzione della tipologia di interazione tra i flussi

Scelta della configurazioneIn funzione della tipologia di interazione tra i flussiScelta della configurazioneIn funzione della tipologia dei fluidi e delle condizioni termodinamiche

Scelta della configurazioneIn funzione della tipologia dei fluidi e delle condizioni termodinamicheScelta della configurazioneIn funzione dello stress termico tra mantello e tubiLa testata frontale (front-end head) èsempre fissa, quella di coda (rear-endhead) può essere fissa o flottante, aseconda dello stress termico che si creatra mantello e fascio tubiero, dovuto alladifferente temperatura e alla conseguentedifferenza di dilatazioni termiche.

Configurazioni consigliateCFUPassaggi lato tubi: 2Passaggi lato mantello: 2Flusso controcorrenteAESPassaggi lato tubi: 2Passaggi lato mantello: 1Flusso controcorrente eequicorrenteCaratteristiche costruttiveComponenti principali

Caratteristiche costruttiveMantelloGeneralmente ha forma cilindrica con sezione trasversaleuniformemente circolare. Il fluido lato-mantello entra edesce attraverso bocchelli flangiati (nozzles) costituiti da tubia sezione costante, saldati sul mantello.• diametro esterno - 50 mm ÷ 3 m• processi di formatura - ricavato daconduttura circolare (diametri < 0.6m) o da lastre piegate e saldate• materiali - generalmente metalliCaratteristiche costruttiveTestateHanno caratteristiche costruttive simili almantello. Il fluido lato-tubi entra ed esceattraverso bocchelli flangiati (nozzles)costituiti da tubi a sezione costante.Criteri di scelta per la testata frontale(front-end head), sempre fissa: costo,manutenzione e ispezione, sostituzione deitubi, rischio dovuto al mescolamento tra idue fluidi e a perdite esterne, pressione diesercizio.Criteri di scelta per la testata di coda (rearendhead), fissa o flottante: controllo deglistress termici, rimozione del fascio tubieroper la pulitura delle superfici di scambiotermico, prevenzione di mescolamento trai due fluidi, tamponamento di eventualiperdite verso l’esterno.

Caratteristiche costruttiveGruppo fascio tubieroAumento superficie di scambiotermico (0.1 m 2 ÷ 10 5 m 2 ) evelocità del fluidodiaframmi(baffles)fascio tubiero(tubes bundle)piastre tubiere(tubesheets)Caratteristiche costruttiveTubiPossono avere superficie lisciao di varia rugosità (fino a crearevere e proprie alettature peraccrescere lo scambio termico)• diametro esterno - 6.35÷50.8 mm• diametri più comuni per tubi lisci -15.88, 19.05, 25.40 mm• pulitura meccanica - diametrominimo 19.05 mm (altrimenti occorrepulitura chimica)• lunghezza - fino a 30 m (rapportodiametro mantello / lunghezza tubientro 1/5÷1/15)• processi di formatura - trafilatura,estrusione, saldatura• materiali - metalli, plastici, ceramici

Caratteristiche costruttiveTubiLe disposizioni più comuni sono aquadrato e a triangolo equilatero.La prima disposizione facilita lapulitura meccanica, la secondaaumenta la densità dei tubi nel fascio.Scelta del passo: 1.25 < P T /d < 1.5• passo stretto (P T /d ridotto) - aumentalo scambio termico e la compattezza,indebolisce le piastre tubiere• passo largo (P T /d elevato) - riduce loscambio termico e la compattezza,facilita la pulituraCaratteristiche costruttiveDiaframmi e supportiServono come sostegno ai tubi e perorientare il flusso all’interno delmantello.La scelta di tipologia e spaziatura(40÷60% diametro del mantello),dipende dalle portate in gioco, dallavelocità di scambio termico che sivuole realizzare, dalla caduta dipressione ammissibile, dallevibrazioni indotte dai flussi, dallatipologia di fascio tubiero.

Caratteristiche costruttivePiastra tubieraSostiene i tubi alle estremità, e li mettein comunicazione con le testate.piastratubieraLa giunzione piastra-tubi deve garantirestabilità e tenuta. Si realizza medianteespansione e deformazione dei tubi,mandrinatura, saldatura.piastra tubieratuboImpostazione del problema progettualeParametri da scegliere• configurazione (CFU, AES)• parametri flusso da raffreddare: fluido (proprietà), portata in massa, pressione,T ingresso, T uscita• parametri flusso da riscaldare: fluido (proprietà), pressione, T ingresso, T uscitaParametri costruttivi preliminari• tubi lisci, diametro esterno 19.05 mm (spessore 2.11 mm)• passo a triangolo equilatero 23.8 mmParametri costruttivi da ricavare• superficie complessiva di scambio termico A o• lunghezza tubi L• numero tubi N t• diametro interno mantello D i

Impostazione del problema progettualeVerifica parametri sceltiDopo il calcolo del diametro interno del mantello D i è necessario verificare larispondenza ai criteri limite TEMA.Procedura di calcolo preliminare• • •• m h , m c - portate in massa dei flussi caldo e freddo (m = ρ v S)• c p,h , c p,c - calori sperifici dei fluidi caldo e freddo• T h,i , T h,o - temperature di ingresso e di uscita del fluido caldo• T c,i , T c,o - temperature di ingresso e di uscita del fluido freddoq T flusso termicoscambiato(LMTD) countercurrentdifferenza media logaritmicadelle temperature per flussicontrocorrente

Procedura di calcolo preliminareMTD differenzamedia di temperatura• se i flussi sono sempre controcorrente (CFU): F = 1• se i flussi sono controcorrente e equicorrente (AES): F = 0.9U o coefficientecomplessivo discambio termico• d o , d i - diametri esterno e interno dei tubi (adottare uno deglispessori corrispondenti al diametro esterno scelto → vedi avanti)• h o , h i - coefficienti di scambio termico lato-mantello e lato-tubo• R f,o , R f,i - resistenze al fouling lato-mantello e lato-tubo• k w - conduttività termica del tubo (scegliere un materiale preliminare: lega Al / acciaio inox)Procedura di calcolo preliminareA= o oqToU (MTD)oA o superficie complessivadi scambio termico

Procedura di calcolo preliminareA oL lunghezza tubiD i diametrointerno mantelloVerificare la rispondenzaai criteri limite TEMAGran parte degliscambiatoririentrano tra i valori6:1 e 10:1 delrapporto L/D iProcedura di calcolo preliminareA’ o superficie di scambiotermico corretta(con cui entrarenel diagramma)• F 1 = 1 per tubi a diametro esterno 19.05 mm e passo a triangolo equilatero23.8 mm (come da impostazione suggerita), altri valori di F 1 in tabella

Procedura di calcolo preliminareA’ o superficie di scambiotermico corretta(con cui entrarenel diagramma)• F 1 = 1 per tubi a diametro esterno 19.05 mm e passo a triangolo equilatero23.8 mm (come da impostazione suggerita), altri valori di F 1 in tabella• F 2 = 1 per fasci tubieri a un passaggio, altri valori di F 2 in tabella(scelta in funzione di range del diametro interno del mantello D i→ procederea una valutazione preliminare di D ientrando nel diagramma con A o)Procedura di calcolo preliminareA’ o superficie di scambiotermico corretta(con cui entrarenel diagramma)• F 1 = 1 per tubi a diametro esterno 19.05 mm e passo a triangolo equilatero23.8 mm (come da impostazione suggerita), altri valori di F 1 in tabella• F 2 = 1 per fasci tubieri a un passaggio, altri valori di F 2 in tabella• F 3 = 1 per scambiatori a testata posteriore con piastra tubiera fissa,altri valori di F 3 in tabella(AES)(CFU)(scelta in funzione di range del diametro interno del mantello D i→ procederea una valutazione preliminare di D ientrando nel diagramma con A o)

Procedura di calcolo preliminareN tnumero dei tubiParametri costruttivi ricavati• superficie complessiva di scambio termico A o• lunghezza tubi L• numero tubi N t• diametro interno mantello D iAltri parametri costruttivi• testate: da dimensionare in rapporto al mantello• piastre tubiere: da dimensionare in rapporto al diametro interno del mantello,foratura dipendente dal numero dei tubi, dal passo, dal diametro esterno dei tubi• diaframmi: spaziatura 40÷60% diametro interno del mantelloSelezione dei materialiOggetti della selezione• Mantello• Testate• TubiObiettivi• Minimizzazione del peso• Minimizzazione del costo• Efficienza dello scambio termicoVariabili libere• Spessori• MaterialiEstensione della ricerca (facoltativo)Piastre tubiere, diaframmi, guarnizioni

Sviluppo dell’indagine1) Indagine preliminare• Ricognizione funzionalità e campi di applicazione degli scambiatori a tubi e mantello• Scelta della configurazione e dei parametri di funzionamento necessari alla proceduradi calcolo preliminare• Ricognizione sui materiali comunemente utilizzati per la realizzazione dei componentiin esame (mantello, testate, tubi)CFUAESSviluppo dell’indagine2) Applicazione del metodo di selezionePer ogni componente in esame:• Definire i fattori che caratterizzano il problema di selezione (funzione, obiettivi,vincoli, variabili libere)• Sviluppare gli indici di prestazione (metriche) necessari alla selezione• Operare la selezione mediante gli strumenti previsti (carte a bolle)• Individuare un ristretto gruppo di soluzioni che soddisfino tutti i vincoli, e valutareper ciascuna di esse la rispondenza agli obiettivi (peso, costo, efficienza di scambiotermico) e i corrispondenti parametri geometrici (spessori)• Gestire gli eventuali conflitti tra gli obiettivi mediante le tecniche più semplicidi analisi multi-obiettivo3) Descrizione finale della soluzione costruttiva che si proponee considerazioni sulle scelte finali

Condizioni di carico dovute alle pressioni• I serbatoi in pressione con pareti sottili vengono trattati come membrane.L’approssimazione è ragionevole per t < b/4• I carichi non variano in maniera significativa lungo lo spessore della pareteσ zσ rσ t∆p⋅bσ t=t⎧−pi⎪σr= ⎨⎪⎩−peper r = rper rσzi= r∆p⋅b=2te⎛ b b ⎞⎜t< ⇒ > 4⎟⎝ 4 t ⎠σ = σtz∆p⋅b=2t⎧−pi⎪σr= ⎨⎪⎩−peper r = rper ri= reApplicazione del metodo di selezioneMantelloFunctionSerbatoio in pressionePressure pD itObjectives• Minimizzare massa• Minimizzare costoLConstraintsFreevariables• Dimensioni L, D i , pressioni ∆p (dati progetto e derivati)• Resistenza alla corrosione (dipende dal fluido)• Temperature di servizio (dati di progetto)• Dilatazione termica limitata• Resistenza strutturale• Adeguata tenacità alla frattura: K 1c > 10 MPa.m 1/2• Spessore t• Scelta del materiale

Applicazione del metodo di selezioneMantello( )Objective 1m = 2π R L t Vi+ * ρPressure pD itConstraintMetrica 1∆p⋅Rtiσ =

Applicazione del metodo di selezioneMantello - Verifiche vincoli aggiuntiviFunctionSerbatoio in pressionePressure pD itObjectives• Minimizzare massa• Minimizzare costoLConstraints• Spessore minimoApplicazione del metodo di selezioneMantello - Verifiche vincoli aggiuntiviFunctionSerbatoio in pressionePressure pD itObjectives• Minimizzare massa• Minimizzare costoLConstraints• Spessore minimoClasse R

Applicazione del metodo di selezioneTubiLtFunctionTubo in pressioneper scambio termicoPressure pd oObjectivesConstraintsFreevariables• Massimizzare efficienza di scambio termico per unità diarea (contenere l’ingombro dello scambiatore), per unità dimassa (contenere il peso dello scambiatore), per unità dicosto (contenere il costo dello scambiatore)• Dimensioni L, d o , pressioni ∆p (dati progetto e derivati)• Resistenza alla corrosione (dipende da entrambi i fluidi)• Temperature di servizio (dati di progetto)• Dilatazione termica limitata• Resistenza strutturale• Adeguata tenacità alla frattura: K 1c > 10 MPa.m 1/2• Spessore t (nella pratica t è abbinato a d o )• Scelta del materialeApplicazione del metodo di selezioneTubiObjective 1qAToλ ⋅ ∆Ttλ = conduttivitàtermica=p = f 1 (F) f 2 (G) f 3 (M) Metrica TB1MTD oppure∆T =∆T maxLPressure ptd oConstraint∆p⋅rtoσ =

Applicazione del metodo di selezioneTubiObjective 2qTm=λ∆T2 ⋅t ⋅ρ( m = A tρ)oLPressure ptd oConstraint∆p⋅rtoσ =

Applicazione del metodo di selezioneTubi - Verifiche vincoli aggiuntiviLtFunctionTubo in pressioneper scambio termicoPressure pd oObjectivesConstraints• Massimizzare efficienza di scambio termico per unità diarea (contenere l’ingombro dello scambiatore), per unità dimassa (contenere il peso dello scambiatore), per unità dicosto (contenere il costo dello scambiatore)• Resistenza al carico termicoσ = σtz⎧ α⎪−= ⎨⎪ αE⎪⎩2 1E( Ti− Te)2( 1−ν)( Ti− Te)( − ν)per r= rper r = rtieσ = σ L3aFfmaxVerifica su spessoree materiale

Applicazione del metodo di selezioneTubi - Verifiche vincoli aggiuntiviLtFunctionTubo in pressioneper scambio termicoPressure pd oObjectives• Massimizzare efficienza di scambio termico per unità diarea (contenere l’ingombro dello scambiatore), per unità dimassa (contenere il peso dello scambiatore), per unità dicosto (contenere il costo dello scambiatore)Constraints• Rigidezza a flessioneFF = peso (porzione di tubo + fluido)L a= spaziatura appoggi (dipende dallaconfigurazione dei diaframmi)L d= spaziatura diaframmi (40÷60% D i)L aL aL dApplicazione del metodo di selezioneTubi - Verifiche vincoli aggiuntiviLtFunctionTubo in pressioneper scambio termicoPressure pd oObjectivesConstraints• Massimizzare efficienza di scambio termico per unità diarea (contenere l’ingombro dello scambiatore), per unità dimassa (contenere il peso dello scambiatore), per unità dicosto (contenere il costo dello scambiatore)• Spessori caratteristici dei tubiSe si decidesse o fossenecessario variare lospessore del tuborispetto al valore sceltopreliminarmente,occorrerebbe ricalcolareil coefficiente di scambiotermico U oe reiterare ildimensionamento

Applicazione del metodo di selezioneAnalisi multi-obiettivo• Metodo graficoDue metriche (mantello, testate)Light Metric 1: mass m HeavyB Non-dominatedsolutionTrade-offsurfaceA DominatedsolutionCheap Metric 2: cost C Expensive• Metodo delle proprietà normalizzate e pesateQualsiasi numero di metriche (tubi, mantello, testate)γ =n∑i=1ϕ ⋅iB iSupportiCarte di selezione• Temperature di servizio• Dilatazione termica• Conduttività termica• Tenacità alla frattura• Costi• Combinazione di proprietà(Indici di prestazione)Cambridge Engineering Selector• Tutorial: EduPack2005 - Getting StartedRisorse web• Applicazioni scambiatori• Proprietà dei materiali