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Il coefficiente di trasferimento del calore complessivo, o valore U, si riferisce a quanto bene viene condotto il calore attraverso una serie di mezzi resistenti. Le sue unità di misura sono i W/(m2°C).
Verso il vapore e l’acqua calda
Il seguente articolo dimostra come calcolare e confrontare il valore U per il trasferimento di calore del vapore e dell’acqua calda attraverso diversi tipi di mezzi, compresi i coefficienti di pellicola e il materiale stesso della parete.
Il coefficiente complessivo di trasferimento del calore è influenzato dallo spessore e dalla conduttività termica dei mezzi attraverso cui il calore viene trasferito. Più grande è il coefficiente, più facilmente il calore viene trasferito dalla sua fonte al prodotto riscaldato. In uno scambiatore di calore, la relazione tra il coefficiente globale di trasferimento del calore (U) e la velocità di trasferimento del calore (Q) può essere dimostrata dalla seguente equazione:
dove
Q = velocità di trasferimento del calore, W=J/s
A = superficie di trasferimento del calore, m2
U = coefficiente globale di trasferimento di calore, W/(m2°C)
ΔTLM = differenza di temperatura media logaritmica, °C
Da questa equazione si può vedere che il valore U è direttamente proporzionale a Q, la velocità di trasferimento di calore. Supponendo che la superficie di trasferimento del calore e la differenza di temperatura rimangano invariate, maggiore è il valore U, maggiore è la velocità di trasferimento del calore. In altre parole, questo significa che per un certo scambiatore di calore e un certo prodotto, un valore U più alto potrebbe portare a tempi di batch più brevi e a una maggiore produzione/ricavi.
Calcolo del valore U
Si possono usare diverse equazioni per determinare il valore U, una delle quali è:
dove
h = coefficiente di trasferimento del calore convettivo, W/(m2°C)
L = spessore della parete, m
λ = conduttività termica, W/(m°C)
Trasferimento di calore attraverso una parete metallica
Nel caso della creazione di acqua calda, per esempio, il trasferimento di calore avviene fondamentalmente dal fluido 1 (fonte di calore) attraverso un solido conduttore (parete metallica) al fluido 2 (acqua, il prodotto da riscaldare). Tuttavia, bisogna considerare anche la resistenza del film. Questo è il motivo per cui il coefficiente di trasferimento di calore convettivo (h), a volte indicato come il coefficiente del film, è incluso quando si calcola il trasferimento di calore tra un fluido e una parete conduttiva.
Inoltre, in alcune applicazioni uniche come il riscaldamento dei processi farmaceutici o biotecnologici, il trasferimento di calore può avvenire attraverso diversi strati di materiale della parete. In tali casi, l’equazione di cui sopra può essere adattata incorporando lo spessore di ogni strato del solido (L) diviso per la sua conduttività termica (λ).
Per facilitare i calcoli di esempio qui sotto, i seguenti valori possono essere usati come riferimento per i coefficienti di trasferimento di calore convettivo:
| Fluido | Coefficiente di trasferimento di calore convettivo (h) | |
|---|---|---|
| Acqua | circa 1000 W/(m2 °C) | |
| Acqua calda | 1000 – 6000 W/(m2 °C) | |
| Vapore | 6000 – 15000 W/(m2 °C) |
Esempio di confronto dell’effetto su U di diverse fonti di calore, vapore o acqua calda
Due bollitori incamiciati in acciaio al carbonio (λ = 50 W/(m °C) ) con uno spessore interno di 15 mm sono usati per riscaldare l’acqua. Uno usa acqua calda come fonte di calore, mentre l’altro usa il vapore. Assumendo coefficienti di trasferimento del calore di 1000 W/m2 °C per l’acqua riscaldata, 3000 W/m2 °C per l’acqua calda e 10000 W/m2° C per il vapore, calcoliamo i valori U per entrambi i processi di riscaldamento.
Bollitore rivestito in acciaio al carbonio – Confronto tra fonte di calore acqua calda e vapore
Acqua calda:
Vapore:
In questo caso, il vapore fornisce un miglioramento del valore U calcolato del 17%.
Ora immaginate che la stessa parete di trasferimento del bollitore sia anche rivestita di vetro di 1 mm di spessore (λ = 0,9 W/(m °C) ). Includendo questi valori nell’equazione del valore U di cui sopra, si ottengono i seguenti risultati:
Bollitore rivestito in vetro – Confronto tra acqua calda e fonte di calore a vapore
Acqua calda:
Vapore:
In questo caso di resistenza aggiuntiva alla conduttività, il valore U è ancora migliorato, ma solo del 9%; e questo dimostra come un cattivo conduttore termico come il vetro può interferire notevolmente con il trasferimento di calore.
Così, per certe apparecchiature di scambio termico come un bollitore in acciaio al carbonio, cambiare la fonte di calore da acqua calda a vapore può potenzialmente migliorare il valore U e il trasferimento di calore in modo significativo se il materiale delle pareti è altamente conduttivo. Tuttavia, lo stesso effetto drammatico non è previsto nei casi in cui viene utilizzato uno scambiatore di calore con diversi strati di parete che includono strati di materiale non altamente conduttivo (come un bollitore rivestito in vetro).
Nonostante, alcuni processi richiedono un certo materiale di parete, come il rivestimento in vetro, per prevenire la reattività con il prodotto. Anche così, il tasso di trasferimento del calore può ancora essere migliorato in tali circostanze cambiando la fonte di calore da acqua calda a vapore per ottimizzare la produzione.
Comprensione avanzata
Fouling
Il fouling della superficie del materiale della parete può rappresentare un’ulteriore barriera al trasferimento del calore. Questo problema può verificarsi sia sul lato del mezzo di riscaldamento che sul lato del prodotto per molteplici ragioni. Alcune cause possono essere depositi di particelle sul lato del riscaldamento e temperature eccessivamente alte o basse sul lato del prodotto.
Per esempio, la pressione del vapore viene talvolta aumentata per creare la pressione necessaria a spingere la condensa attraverso la valvola di controllo in uscita su una pentola a livello. Tuttavia, con un aumento della pressione all’interno dello scambiatore di calore, la temperatura del vapore aumenta di conseguenza, e questo calore eccessivo può causare un aumento del fouling sul lato prodotto. Al contrario, se si permette alla condensa di accumularsi all’interno dell’apparecchiatura, il fouling può essere causato sul lato del riscaldamento dai detriti trascinati nella condensa accumulata, e sul lato del prodotto dalle temperature più basse che causano la torta del prodotto sulla superficie quando la viscosità richiesta del prodotto non è mantenuta.
Il fouling può essere aggiunto all’equazione di cui sopra includendo il rapporto tra il suo spessore (LF) e la sua conduttività (λF), nello stesso modo in cui il rivestimento in vetro è stato aggiunto sopra, ma è tipicamente incorporato ed espresso come fattore di fouling per uno scambiatore che è stato “in servizio”. Comunemente, i calcoli per confrontare la riduzione di U sono per il servizio pulito rispetto a quello in servizio.
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