Comprendere il trasferimento di calore per dimensionare la caldaia e il sistema di distribuzione del vapore.

In un sistema di riscaldamento a vapore, l'ultimo elemento di riscaldamento è la temperatura del vapore.nico propLo scopo della generazione e della distribuzione del vapore è quello di fornire calore a una superficie di trasferimento del calore di un processo. Se è noto che il téSe si conoscono la portata e la pressione del vapore necessarie, è possibile determinare il consumo di vapore richiesto. In questo modo sarà possibile dimensionare la caldaia e il sistema di distribuzione del vapore.

Metodi di trasferimento del calore

Ogni volta che c'è un gradiente di temperatura, nello stesso fluido o tra fluidi diversi, si verifica un trasferimento di calore. Questo può avvenire per conduzioneLa Commissione, la convezioneo radiazioni.

Trasferimento di calore per conduzione 

Ogni volta che c'è un gradiente di temperatura, nello stesso fluido o tra fluidi diversi, il trasferimento di calore che avviene è noto come conduzione. 

Quando il moléQuando le particelle di un fluido si scontrano tra loro, l'energia viene trasferita dalle molecole al fluido.éIls energicoa quelle con energie inferiori. Poiché le temperature più elevate sono associate a energie molecolari più alte, la conduzione deve avvenire nella direzione della diminuzione della temperatura.

Questo fenomenoQuesto fenomeno può essere osservato nei liquidi e nei gas. Tuttavia, nei liquidi le interazioni molecolari sono più forti e frequenti, perché le molecole del liquido sono più strettamente legate tra loro.éI due Paesi sono più vicini tra loro.

Nei solidi, la conduzione è prodotta dalle vibrazioni reticolari dell'attività di legame.mica.

L'equazione utilizzata per esprimere il trasferimento di calore per conduzione è nota come legge di Fourier. In presenza di una distribuzione lineare della temperatura in condizioni di stato stazionario, per una parete piana unidimensionale si può affermare che è così:

La conduttività téLa stabilità termica è una caratteristica del materiale della parete e dipende dalla temperatura.

Il La tabella seguente mostra la variazione della conduttività tétermodinamica a temperatura controllata per vari metalli comune.

Tenendo conto del meccanismo di trasferimento del calore in conduzione, in generale, la conduttività téLa conduttività termica di un solido sarà molto più alta di quella di un liquido, e la conduttività téIl Comitato delle RegioniLa conducibilità di un liquido sarà superiore a quella di un gas. L'aria ha una conduttività téQuesto è il motivo per cui i materiali isolanti hanno spesso un'ampia intercapedine d'aria.

Trasferimento di calore per convezionesito web 

La convezione è il trasferimento di energia da una fonte all'altra.per riscaldareSi tratta di una combinazione dei meccanismi di diffusione e di movimento di massa del fluido. In realtà, si tratta di una combinazione dei meccanismi di diffusione e di movimento di massa del fluido.

In prossimità della superficie, dove la velocità del fluido è bassa, domina la diffusione (o il moto molecolare casuale). Tuttavia, allontanandosi dalla superficie, il moto di massa ha un'influenza crescente. Il trasferimento di calore convettivo può assumere la forma della convezione forzato o convettivoóConvezione naturale. La convezioneLa convezione forzata si verifica quando il flusso del fluido è indotto da una forza esterna, come una pompa o un agitatore. Al contrario, la convezione forzata si verifica quando il flusso del fluido è indotto da una forza esterna, come una pompa o un agitatore.Il provoca forze di galleggiamento, dovute alle differenze di densità causate dalle variazioni di temperatura del fluido.

Il trasferimento di energiaper riscaldareGli effetti di un cambiamento di fase, come l'ebollizione o la condensazione, sono anche i seguenti.éSi tratta di un processo di trasferimento di calore convettivo.

L'equazioneIn caso di convezioneLa legge di raffreddamento di Newton è espressa dalla seguente equazione derivata dalla legge di Newton:

Trasferimento di calore radiativo 

È nota come radiazione téIl trasferimento di calore dovuto all'emissione di calore dall'aria non è influenzato dal trasferimento di calore.L'efficienza energetica delía de superfici sotto forma di onde elettromagnetiche.ética. In assenza di un mezzo intermedio, si verifica un trasferimento netto di calore tra due superfici a temperature diverse. Questa forma di trasferimento di calore non dipende da un mezzo materiale ed è, infatti, più efficiente nel vuoto.o.

Equazione generale del trasferimento di calore

Nella maggior parte delle situazioni pratiche, è molto raro che tutta l'energia venga trasferita da un unico mezzo di trasferimento del calore. Il processo complessivo di trasferimento del calore sarà di solito a combinazioneLa Commissione è assistita da due o piùádiversi meccanismi.

L'equazione generalmente utilizzata per calcolare il trasferimento di calore attraverso uno scambiatore di calore è la seguenteés di una superficie utilizzati nella procedura di progettazione e che fanno parte della teoria dello scambio di calore:

Coefficiente di trasferimento di calore totale (U)

Tiene conto sia della resistenza conduttiva che di quella convettiva.(a) la separazione di due fluidi separati da una parete solida. Il coefficiente di trasferimento di calore totale è il reciproco della resistenza di trasferimento di calore totale, che è la somma delle singole resistenze.

Il coefficiente di trasferimento di calore totale può anche essere superiore al coefficiente di trasferimento di calore totale.én Considerare il grado di sporcizia nel processo di trasferimento del calore. La deposizione di una pellicola o di incrostazioni sulla superficie di trasferimento del calore riduce notevolmente la velocità di trasferimento del calore.

Il fattore di incrostazione rappresenta una resistenza téLe sollecitazioni termiche aggiuntive causate dalle impurità presenti nel fluido, la formazione diIl ruggine e altre reazioni tra il fluido e la parete.

L'entità dei singoli coefficienti dipenderà dalla natura del processo di trasferimento del calore, dalle proprietà fisiche dei fluidi, dalle portate dei fluidi e dalla disposizione fisica degli impianti. superficie di trasferimento del calore.

Poiché il layout fisico non può essere stabilito finché non è stata calcolata l'area di trasferimento del calore, la progettazione dello scambiatore di calore è necessariamente una procedura iterativa. Il punto di partenza di questa procedura è solitamente la selezione dei valori dipicchi per il coefficiente di trasferimento di calore totale di vari tipi di scambiatori di calore.

A cIl calcolo esatto dei singoli coefficienti di trasferimento del calore è una procedura complicata e in molti casi non è possibile perché alcuni parametri sono sconosciuti.

Pertanto, l'uso dei valori tipici stabiliti per il coefficiente di trasferimento di calore totale sarà adeguato ai fini pratici.Il.

Differenza di temperatura (△T)

La legge di Newton sul raffreddamento afferma che la velocità di trasferimento del calore è legata alla differenza di temperatura istantanea tra il mezzo caldo e quello freddo. In un processo di trasferimento di calore, questa differenza di temperatura varia nella posizione e nel tempo. L'equazione generale del trasferimento di calore è stata sviluppata come estensione della legge di Newton sul raffreddamento, in cui la differenza di temperatura media viene utilizzata per stabilire l'area di trasferimento di calore necessaria per un carico téLa composizione chimica data.

Differenza media di temperatura (△TM)

La determinazione della differenza di temperatura media in un processo di tipo a flusso, come uno scambiatore di calore, dipende dalla direzione del flusso. I fluidi primari e secondari possono scorrere nella stessa direzione (flusso parallelo / flusso nella stessa direzione), in direzione opposta (controcorrente) o perpendicolarmente l'uno all'altro (flusso incrociato). Quando si utilizza vapore saturo, La temperatura del fluido primario può essere considerata costante, poiché il calore viene trasferito solo in seguito a un cambiamento di fase. Il risultato è che il profilo di temperatura non dipende più dalla direzione del flusso.

Tuttavia, mentre il fluido secondario passa sopra la superficie di trasferimento del calore, il tasso di trasferimento di calore più elevato si verifica all'ingresso e diminuisce progressivamente lungo il percorso verso l'uscita. Ciò è dovuto al fatto che la differenza di temperatura tra il vapore e il fluido secondario diminuisce con l'aumentare della temperatura del secondario.

Il profilo di temperatura risultante del vapore e del fluido secondario è generalmente mostrato come nella figura seguente.

L'aumento di temperatura del secondario non è lineare ed è meglio rappresentato da un calcolo logaritmico. A questo scopo, la differenza di temperatura media logaritmica o LMTD o ▵TLM.

Un modo più semplice (ma non accurato) per calcolare la differenza di temperatura media è quello della differenza di temperatura del fluido secondario e, per rapidi calcoli manuali, di solito fornisce un'approssimazione soddisfacente della differenza di temperatura media da utilizzare nell'equazione di cui sopra. Il profilo di temperatura AMTD è mostrato nella figura seguente.

Differenza media aritmetica di temperaturaética (AMT)

Poiché non vi è alcuna variazione di temperatura sul lato del vapore, l'AMTD fornisce generalmente un anUn'analisi soddisfacente del processo di trasferimento del calore, facile da realizzare.facile da manipolare nei calcoli manuali.

Tuttavia, è ancheéÈ possibile utilizzare la differenza di temperatura media logaritmica, che tiene conto della variazione non lineare della temperatura del fluido secondario.

Differenza di temperatura media logaritmica(LMTD)

In entrambe le equazioni precedenti si assume che la capacità termica non subisca variazioni.fica o il coefficiente di trasferimento di calore totale e che non c'è péPerdite di calore.

In realtà, la capacità termica specifica può cambiare in seguito a variazioni di temperatura. Il coefficiente di trasferimento di calore totale è noto anche come coefficiente di trasferimento di calore totale.éLa portata può variare a causa di variazioni delle proprietà del fluido e delle condizioni di flusso. 

Tuttavia, nella maggior parte dei casia da applicazioni le deviazioni saranno quasi trascurabili e l'uso dei valori medi è perfettamente accettabile.

In molti casi l'apparecchiatura di scambio di calore è isolata dall'ambiente circostante, ma l'isolamento non è 100% efficiente. Pertanto, l'energia trasferita tra il vapore e il fluido secondario potrebbe non rappresentare l'intera péLa perdita di calore del fluido primario.

Barriere al trasferimento di calore nei sistemi a vapore

La parete metallica può non essere l'unica barriera in un processo di trasferimento del calore. Esiste anche la possibilità che la parete metallica non sia l'unica barriera in un processo di trasferimento del calore.éIl lato prodotto può presentare anche una pellicola di aria, condensa e incrostazioni sul lato vapore. Sul lato prodotto può essere presente anche una pellicola di aria, condensa e incrostazioni sul lato vapore.én prodotto aderente o incrostazioni oltre a una pellicola di prodotto stagnante.

Per eliminare l'effetto pellicola stagnante, il prodotto può essere agitato, mentre la pulizia regolare del lato prodotto riduce le incrostazioni.

Pulizia regolare della superficie del lato vapore del tamburoén aumentoal tasso di  Il trasferimento di calore può avvenire riducendo lo spessore degli strati di incrostazione, ma ciò non è sempre possibile. Anche questo stratoéQuesto problema può essere ridotto prestando attenzione al corretto funzionamento della caldaia e alla rimozione delle gocce d'acqua contenenti impurità dalla caldaia.

Condensazione del film

La rimozione della pellicola di condensa non è così semplice. Quando il vapore si condensa cedendo la sua entalpia di evaporazione, sulla superficie di trasferimento del calore si formano piccole gocce d'acqua. Queste si fondono insieme per formare una pellicola di condensa.Il film di condensa continuo. Il filmLa pellicola di condensa può essere da 100 a 150 volte più resistente al trasferimento di calore di una superficie riscaldante in acciaio e da 500 a 600 volte più resistente di una in rame.

CondensazioneLa Commissione

Se le gocce d'acqua sulla superficie di trasferimento del calore non si sciolgono immediatamente e non formano una pellicola di condensa continua, si verifica la condensazione a goccia. Le velocità di trasferimento del calore ottenibili con la condensazione a goccia sono molto più elevate di quelle ottenibili con la condensazione a film.cula.

Poiché durante il processo di trasferimento del calore viene esposta una parte maggiore della superficie di trasferimento del calore, la superficie di trasferimento del calore del Con la condensazione a goccia, i coefficienti di trasferimento del calore possono essere fino a dieci volte superiori a quelli della condensazione a film.cula.

Nella progettazione di scambiatori di calore in cui la condensazione è prevista a gocce, la resistenza téLa barriera di trasferimento del calore è trascurabile rispetto alle altre barriere di trasferimento del calore. Tuttavia, si è dimostrato molto difficile mantenere le condizioni adatte alla condensazione delle gocce.

Se la superficie èSe la pellicola è rivestita con una sostanza che inibisce la bagnatura, può essere possibile mantenere la condensazione in gocce per un breve periodo di tempo. Per questo puntelloEsiste una serie di rivestimenti superficiali, come siliconi, PTFE e una varietà di cere e acidi grassi, che vengono applicati alle superfici di uno scambiatore di calore in cui si crea condensa. Tuttavia, questi rivestimenti perdono gradualmente la loro efficacia a causa di processi come l'ossidazione o il fouling e, alla fine, prevarranno. alla fine il condensazione del filmcula.

Poiché l'aria è un ottimo isolante, offre una resistenza ancora maggiore al trasferimento di calore. L'aria può essere da 1.500 a 3.000 volte più resistente al flusso di calore rispetto all'acciaio e da 8.000 a 16.000 volte più resistente del rame. Ciò significa che una pellicola d'aria di sololo 0,025 mm di spessore può avere una resistenza al trasferimento di calore pari a quella di una parete di rame di 400 mm di spessore. Naturalmente, tutti questi rapporti comparativi dipendono dalla temperatura attraversoédi ogni strato.

Il La figura seguente mostra l'effetto che questa combinazione di strati ha sul processo di trasferimento del calore. Queste barriere al trasferimento di calore non solo aumentano lo spessore dell'intero strato conduttivo, ma aumentano anche lo spessore dello strato di trasferimento di calore.éLa conduttività t è notevolmente ridotta dalla téLa dinamica degli strati.

Quanto più lo strato è resistente al flusso di calore, tanto maggiore sarà il gradiente di temperatura. Ciò significa che per ottenere la stessa temperatura del prodotto, la pressione del vapore dovrà essere significativamente più alta.

La presenza di film di aria e acqua sulle superfici di trasferimento del calore nelle applicazioni di riscaldamento o di processo non è insolita. Si verifica in qualche misura in tutte le unità di processo riscaldate a vapore.

Per raggiungere la temperatura di uscita del prodotto e ridurre al minimo il costo delle operazioni con vapore di processo, è necessario mantenere elevate prestazioni di riscaldamento riducendo lo spessore del prodotto e riducendo lo spessore del vapore. IlL'aria è di solito l'effetto più importante sull'efficienza di trasferimento del calore e sulla sua rimozione dall'alimentazione del vapore. In pratica, l'aria ha solitamente un effetto più importante sull'efficienza di trasferimento del calore e sulla sua rimozione dalla fornitura di vapore. aumentoLe prestazioni di riscaldamento saranno migliorate.

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