I. Determinazione dei dati di processo di base (prerequisiti per la selezione del modello)
1. Definire chiaramente le proprietà dei mezzi caldi e freddi (determinando i materiali delle apparecchiature e i limiti strutturali).
Innanzitutto, è essenziale identificare i mezzi specifici sia sul lato caldo che su quello freddo-come acqua di processo, acqua circolante, vapore, olio termico, soluzioni acide o alcaline o salamoia.
Supporti diversi influenzano l'apparecchiatura in modi distinti; ad esempio, i mezzi contenenti cloruro- possono facilmente causare corrosione per vaiolatura, rendendo necessario l'uso di materiali come l'acciaio inossidabile 316L o il titanio.
Se i fluidi contengono particelle sospese o sostanze soggette a cristallizzazione, prendere in considerazione l'aumento dello spazio tra i canali o la riduzione della velocità del flusso per evitare intasamenti.
Se si applicano requisiti di tipo alimentare-o farmaceutico-, il progetto deve soddisfare gli standard sanitari (ad esempio, consentire lo smontaggio e la pulizia e garantire una struttura priva di zone morte).
2. Specificare le condizioni di temperatura in ingresso e in uscita (che determinano la forza motrice per il trasferimento di calore).
Devono essere fornite le temperature di ingresso e di uscita target sia per il lato caldo che per quello freddo (ad esempio, raffreddamento da 80 gradi a 50 gradi, riscaldamento da 20 gradi a 60 gradi).
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· La differenza di temperatura determina direttamente la forza motrice per il trasferimento di calore; una differenza di temperatura minore richiede un'area di trasferimento del calore maggiore.
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· È inoltre necessario determinare se esistono "limitazioni nell'approccio alla temperatura"-ad esempio, se i requisiti del processo impongono che la temperatura del lato freddo-non possa superare un determinato limite.
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· Se si tratta di cambiamenti di fase (come condensazione o evaporazione), il profilo della temperatura deve essere specificato separatamente.
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3. Determinare la portata e il carico operativo (determina la scala dello scambio di calore)
È necessario fornire le portate massiche o volumetriche sia per il lato caldo che per quello freddo, poiché questi sono gli input fondamentali per il calcolo del carico termico.
È necessario distinguere tre condizioni operative: carico massimo, carico normale e carico minimo.
Se il sistema prevede un funzionamento fluttuante (come la produzione intermittente), è necessario considerare l'adattabilità alle condizioni operative dinamiche.
La precisione dei dati di portata determina direttamente se lo scambiatore di calore è sovradimensionato o sottodimensionato.
4. Definire i confini e i vincoli del sistema (vincoli ingegneristici).
Definire chiaramente l'intervallo massimo consentito di caduta di pressione-ad esempio, inferiore o uguale a 50 kPa o un limite determinato dalla capacità della pompa.
→ Questo parametro determina direttamente la progettazione dei canali della piastra e la selezione delle velocità del flusso, fungendo da condizione al contorno critica che influenza il consumo energetico del sistema.
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Definire chiaramente i vincoli dello spazio di installazione, tra cui l'altezza dell'apparecchiatura, l'orientamento di ingresso/uscita e lo spazio per la manutenzione.
→ Le condizioni spaziali determineranno direttamente le dimensioni del telaio dello scambiatore di calore e la fattibilità della manutenzione futura.
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Determinare se è consentita l'espansione futura della capacità (che influisce sulla necessità di prenotare ulteriore capacità della piastra).
→ Questo fattore determina se è opportuno adottare un design modulare per consentire una maggiore capacità di trasferimento del calore in una fase successiva.
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Determinare se il sistema funziona in modo continuo (il che influisce sulla progettazione della manutenzione e della ridondanza).
→ La modalità operativa influenza se sono necessarie configurazioni di apparecchiature ridondanti e come vengono stabiliti i cicli di pulizia e manutenzione.
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Calcoli termici e determinazione dei requisiti di trasferimento di calore (fase di progettazione del nucleo)
1. Calcolo del carico termico Q (determina la "classe di capacità") dell'apparecchiatura
Formula di calcolo di base:
Q=m × Cp × ΔT
I calcoli vanno eseguiti separatamente per il lato caldo e per quello freddo; teoricamente, il principio di conservazione dell'energia deve essere soddisfatto.
È necessario apportare modifiche per tenere conto della perdita di calore o del rilascio/assorbimento di calore-correlato al processo.
Il valore Q è il parametro principale che determina la superficie dello scambiatore di calore.
2. Calcolo della differenza di temperatura media logaritmica (LMTD) (analisi della forza motrice)
Utilizza la formula di calcolo del contatore-flusso:
LMTD=(ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1 / ΔT2)
ΔT1 e ΔT2 rappresentano le differenze di temperatura alle due estremità.
Un LMTD più piccolo indica una forza motrice della differenza di temperatura-più debole, che richiede apparecchiature più grandi.
Gli scambiatori di calore a piastre utilizzano in genere una disposizione in contro-flusso per massimizzare l'LMTD.
3. Fattore di correzione del flusso F (fattore di influenza strutturale)
• Quando il fluido ha un modello di flusso multi-passaggio o non-ideale, è necessario introdurre un fattore di correzione.
• Intervallo tipico: 0,75–1,0.
• Le strutture multi-passaggio hanno in genere un valore F-inferiore, ma possono migliorare la distribuzione della velocità.
• Il software del produttore deve essere utilizzato insieme al progetto.
Specifiche della piastra e conversione strutturale (dalla teoria all'attrezzatura)
1. Selezione del tipo di piastra (determina l'efficienza e la caduta di tensione)
• Piastre a spina di pesce: elevata efficienza di scambio termico, ma caduta di pressione relativamente elevata.
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• Piastre ondulate poco profonde: bassa caduta di pressione, adatte per sistemi con portata elevata e bassa resistenza.
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• Piastre ondulate profonde: forte capacità anti-intasamento, adatta per condizioni di incrostazione.
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L'angolo della piastra (ad esempio, 30 gradi/60 gradi) influisce sull'intensità della turbolenza e sulle caratteristiche di resistenza.
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2. Le dimensioni della piastra e l'area di scambio termico corrispondono.
• Diversi produttori utilizzano aree della piastra diverse (0,1–3 m²/piastra).
• Le piastre più grandi sono adatte per sistemi di-portata-elevata, mentre le piastre più piccole sono adatte per sistemi di controllo di precisione.
• Quando si seleziona una piastra è necessario considerare le dimensioni dell'apparecchiatura e i costi di manutenzione.
• A parità di area di scambio termico, dimensioni diverse delle piastre possono portare a differenze strutturali significative.
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