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Giuseppe Langella » 13.L'evaporatore


L’evaporatore

Dall’analisi numerica delle aliquote di calore necessarie alle tre sezioni del GV, si è visto che bisogna destinare i grossi flussi radiativi tipici della zona di combustione, al fluido in passaggio di fase perché:

  • é quello che ha bisogno di più calore
  • per convezione si richiederebbero superfici di scambio maggiori.

Nell’evaporatore tale flusso che possiamo indicare con qirγ, trova sostanzialmente due resistenze:

  • una conduttiva legata al metallo del tubo R_K=\frac S k
  • una convettiva dipendente dalle condizioni fluidodinamiche al suo interno R_{conv}=\frac 1{h_c, int}

Trascuriamo lo scambio termico che si verifica per convezione tra gas e tubi perché le temperature di fiamma sono elevate e il meccanismo radiativo prevale nettamente su quello convettivo caratterizzato da coefficienti convettivi dell’ordine delle decine di W/m2K. In questi termini il flusso irraggiato si può indicare come:

\dot q_{ir\gamma}=\frac{\Delta T}{(R_K+R_{conv})}\Rightarrow \Delta T=\dot q_{ir\gamma}(R_K+R_{conv})

L’evaporatore

da cui deriva che

T_{est, tubo}-T_{vaporesaturo}=\dot q_{ir\gamma}\cdot \left(\frac 1 h+\frac s K\right)

Da tale relazione deduciamo che al fine di ottenere bassi valori di , è necessario avere elevati valori delle conduttanze.
Un aspetto fondamentale della nostra trattazione quindi è quello di evidenziare quali siano le migliori condizioni atte al raggiungimento di tale finalità.Supponiamo allora di considerare l’evaporazione del fluido in un tubo orizzontale; il regime di flusso risultante dal moto simultaneo di liquido e vapore all’interno del tubo è fisicamente più complesso rispetto al caso di flusso monofase ed ha un’influenza determinante nella valutazione dei coefficienti di scambio termico del fluido
Per bassi valori del titolo si instaura un regime di flusso detto “a bollicine” (bubble flow) caratterizzato dalla presenza di piccole bolle immerse nella massa liquida che, spinte dalle forze di galleggiamento, si spostano nella parte superiore del tubo.

L’evaporatore

All’aumentare del titolo le bollicine si aggregano dando luogo alla formazione di bolle di dimensioni maggiori che continuano a spostarsi per gravità nella parte superiore del tubo. Il regime di flusso in questione è detto “a tappi”(plug flow); l’ulteriore incremento del titolo, in corrispondenza di flussi di massa contenuti, produce un regime di flusso “stratificato” (stratified flow), in cui il liquido e il vapore fluiscono come fasi distinte, con il liquido nella parte inferiore e il vapore nella parte superiore del tubo. La superficie di separazione delle due fasi si presenta inizialmente liscia ma, all’aumentare del flusso di massa e/o del titolo tende ad incresparsi. Si parla in tal caso di regime di flusso stratificato ondulato (stratified wavy flow), che può essere caratterizzato dalla dispersione di alcune gocce di liquido nella fase vapore.

In corrispondenza di più elevati flussi di massa, le ampiezze delle onde all’interfaccia liquido-vapore tendono ad aumentare sino a quando le rispettive creste raggiungono la parte superiore del tubo. Si costituiscono così delle sacche di vapore che, sotto l’azione delle forze di galleggiamento, si muovono nella parte superiore del tubo. Questo regime di flusso è detto intermittente (slug-flow).

Alti valori del flusso di massa producono un incremento della velocità del vapore rispetto al liquido determinando un regime di flusso anulare (anular flow): la fase liquida fluisce ancora separatamente da quella vapore, mantenendosi aderente al tubo,il vapore resta invece confinato nella zona centrale del tubo.

L’evaporatore

Le forze di galleggiamento possono provocare un assottigliamento del film liquido nella zona superiore del tubo ed un ispessimento nella zona inferiore. L’ulteriore incremento di velocità della fase vapore, conseguente all’aumento del titolo, può provocare fenomeni di trascinamento di gocce di liquido che, in aggiunta alla vaporizzazione diretta del liquido, riducono lo spessore del film. Quest’ultimo può quindi esaurirsi del tutto in alcuni tratti della superficie del tubo, con l’insorgere di zone parzialmente asciutte. Si parla, in tal caso, di flusso “anulare con parziale dryout della parete superiore del tubo”.

Per alti valori del titolo, quando l’evaporazione del liquido è quasi ultimata, si può instaurare un regime di flusso misto (mist flow), in cui il vapore costituisce una parte continua e il liquido si trova contenuto al suo interno sotto forma di piccole gocce.

Sulla base delle osservazioni sopra elencate, si deduce quindi che un liquido che entra in un canale riscaldato come liquido sottoraffreddato ed esce come vapore surriscaldato varia di continuo il suo stato; man mano che l’evaporazione procede, aumenta la quantità di vapore presente, la densità media del fluido diminuisce con un conseguente aumento della velocità media. Ne scaturisce, inevitabilmente, un incremento della differenza tra la velocità del liquido e quella del vapore con il conseguente cambiamento del regime di flusso.

L’evaporatore

In un canale orizzontale riscaldato e attraversato da un generico fluido inizialmente nelle condizioni di liquido sottoraffreddato, possiamo notare come in corrispondenza della sezione di ingresso, il fluido sia allo stato liquido sottoraffreddato e quindi ad una temperatura T1 inferiore rispetto a quella di ebollizione Ts della quantità DTu.

Fino a quando la temperatura della parete del condotto si mantiene ad un valore inferiore rispetto a quello necessario per la formazione di bolle di vapore, la potenza termica trasferita al fluido è quella del flusso monofase in convezione forzata e, alla generica ascissa z, può essere calcolata con la relazione che segue:

\dot Q=\dot m\cdot c_{pL}\cdot \left[T_L(z)-T_1\right]=h\cdot\pi\cdot d\cdot z\cdot \left[T_w-T_L(z)\right]

essendo rispettivamente:
TL= temperatura del liquido alla generica ascissa z
Tw=temperatura della parete (wall)
h = coefficiente di scambio termico convettivo monofase fluido-parete.

L’evaporatore

Quando la temperatura della parete supera la temperatura di ebollizione del fluido di una quantità , sufficiente a consentire la formazione di bolle di vapore, si dice che il fluido è in regime di ebollizione sottoraffreddata. (sulla parete cominciano a formarsi bolle di vapore mentre la massa liquida è ancora sottoraffreddata).
Quest’ultima si scinde, in “ebollizione sottoraffreddata parziale” e “ebolizione sottoraffreddata completamente sviluppata” (denotate rispettivamente con i tratti a e b di figura 3), a seconda che il fenomeno di formazione dei nuclei evaporativi interessi soltanto la superficie adiacente alla parete del tubo o un’area più estesa.

Quando la massa liquida raggiunge una temperatura media pari alla temperatura di ebollizione si passa ad un regime di “ebollizione nucleata” (nucleate boiling). In questa fase il liquido posto in prossimità della parete viene surriscaldato attivando la formazione di nuclei evaporativi che danno origine alle bolle di vapore. Nella zona centrale del tubo il liquido si trova ancora sottoraffreddato ma l’entalpia media è pari a quella del liquido saturo.

L’evaporatore

In questa condizione il fenomeno della formazione dei nuclei evaporativi riguarda tutta la superficie del tubo e il trasferimento termico è governato in larga misura dalla formazione di bolle piuttosto che dalla convezione. Quando il tubo è occupato prevalentemente da vapore, si passa ad un regime di “flusso anulare” in cui il liquido costituisce un sottile film, nella zona adiacente alla parete, che può risultare non sufficientemente riscaldato per dar luogo alla formazione di nuclei evaporativi. La potenza termica è trasferita proprio attraverso il film liquido che evapora in corrispondenza della superficie di interfaccia liquido-vapore. Lo scambio termico dunque è governato dalla “evaporazione per convezione”.
In corrispondenza di titoli medio-bassi si verificano sia fenomeni di ebollizione nucleata che di evaporazione per convezione. L’aumento del titolo comporta l’ulteriore assottigliamento del film liquido per cui il meccanismo di scambio termico predominante diventa quello di evaporazione per convezione.

L’evaporatore

Lo spessore di film liquido, per il concomitante fenomeno di evaporazione, tende quindi a ridursi definitivamente in alcune zone. Nei tubi orizzontali il fenomeno interessa in modo particolare il film liquido che si trova nella parte alta del tubo per effetto delle forze gravitazionali. In tale zona si registra un parziale asciugamento della superficie del tubo, mentre la superficie sottostante è ancora bagnata. Se il film liquido si assottiglia ulteriormente, il fenomeno dell’asciugamento diviene totale. Lo scambio termico nelle zone asciutte è però trascurabile rispetto a quello delle zone bagnate dal film e ciò comporta una diminuzione del coefficiente di scambio termico locale medio.
Ad un certo punto del processo di evaporazione, il film liquido può scomparire definitivamente anche dalla superficie inferiore del tubo anche se piccole gocce restano presenti in seno alla massa di vapore. Il flusso termico fornito ha quindi la funzione di portare a compimento il processo di evaporazione, che avviene attraverso una combinazione di meccanismi quali: la convezione attraverso la fase vapore, l’irraggiamento, la collisione di goccioline sulla superficie del tubo. I predetti meccanismi sono comunque poco efficaci e il corrispondente coefficiente di scambio termico è significativamente basso rispetto a quello che si avrebbe in presenza di ebollizione nucleata o di ebollizione per convezione. In tale regione di flusso bifase, detta a flusso misto, il coefficiente di scambio termico continua a diminuire all’aumentare del titolo sino a raggiungere il valore corrispondente a quello del flusso di vapore monofase.

Il massimo valore di può essere ottenuto quando si instaura uno SCAMBIO TERMICO CON ENUCLEAZIONE DI BOLLE. E’ possibile raggiungere coefficienti di scambio termico dell’ordine di 104 W/m2K.

L’evaporatore

Nell’enucleazione di bolle, la superficie interna del cilindro viene investita da una certa quantità di bolle di vapore che possono essere mosse poi rapidamente dalla corrente liquida qualora il titolo del vapore sia basso: (5 – 10%). All’aumentare del titolo del vapore, il liquido riesce ad allontanare le bolle con difficoltà crescente sino al raggiungimento del film boiling che abbassa notevolmente , per cui nonostante aumenti, l’abbassamento di , comporta che \dot q=\bar h\cdot\Delta T diminuisce.

Immediata conseguenza delle precedenti osservazioni è che nel G.V , i tubi più caldi sono quelli del surriscaldatore perché in quel caso i coefficienti di scambio termico convettivo, sia interno che esterno, ma soprattutto quello esterno, sono bassi per cui la resistenza totale allo scambio termico è elevata e la differenza di temperatura tra vapore e metallo è superiore rispetto al caso dell’evaporatore. Se si pensa poi che lo stesso vapore è più caldo perché è in fase di surriscaldamento, ne consegue che la temperatura del metallo è nettamente superiore rispetto ai tubi evaporatori. Ciò richiede per i surriscaldatori acciai più pregiati.

Al fine di comprendere le conseguenze negative dell’instaurarsi del regime di film boiling si riportano nelle slides successive alcuni calcoli relativi alla temperatura del metallo del tubo.

L’evaporatore

La circolazione del vapore nell’evaporatore

Abbiamo visto che al fine di migliorare lo scambio termico e scongiurare la formazione del FILM BOILING, è necessario avere un basso valore del titolo di vapore. (5-10%). Da ciò s’intuisce che non è accettabile realizzare in un solo passaggio la trasformazione completa da liquido saturo a vapore saturo secco, in quanto nella maggior parte dei tubi evaporatori si avrebbero titoli superiori al 5 – 10 % con evidenti problemi di arrostimento dei tubi.

Al tempo stesso, abbiamo appurato che nell’evaporatore il fluido entra liquido ed esce vapore saturo secco, con il problema conseguente della diversa portata volumetrica in uscita.
Fatta questa premessa, analizziamo nello specifico ciò che consente il passaggio da Liquido saturo a Vapore saturo secco.

La camera di combustione che si sviluppa verticalmente è tappezzata completamente all’interno dei tubi vaporizzatori, tutti soggetti quindi in ugual misura alla diretta irradiazione della fiamma.

L’evaporatore

Il collegamento tubi-Corpo Cilindrico, non può essere realizzato per sola saldatura a causa delle notevoli pressioni in gioco (anche 200bar) che potrebbero ciccarla o comunque danneggiarla; si procede quindi con una Mandrinatura.

Il foro viene mandarinato all’interno: si generano cioè delle scalmanature circonferenziali (generalmente 2 o 3). Si inserisce quindi il tubo in tolleranza e dall’interno viene inserito nel tubo un mandrino tronco-conico ed un sistema in grado di deformarlo. In tal modo, il tubo si deforma plasticamente e parte del metallo del tubo va a riempire le scalmanature del foro. Il tubo viene quindi scampanato, cioè ne si piega il bordo sulla parte interna del corpo cilindrico. Il punto in corrispondenza della Mandrinatura è ad elevata resistenza, quindi è un operazione che tende a rinforzare il collegamento e a scongiurare possibili rotture; la necessità di tale operazione di saldatura ha spinto a collegare i tubi alla parte inferiore del C.C (corpo cilindrico), realizzata non a caso con spessori maggiori, rispetto alla parte superio del C.C stesso.

L’evaporatore

Per garantire titoli bassi nei tubi evaporatori, si fa in modo che in essi circoli (in circuito chiuso) una portata molto superiore a quella di vapore prodotta dall’impianto.
Il rapporto tra portata circolante nell’evaporatore e produzione oraria di vapore, va sotto il nome di cifra di circolazione e corrisponde all’inverso del titolo in uscita dai tubi evaporatori.
Ad esempio, una cifra di circolazione pari a 20, garantisce un titolo del vapore a fine tubo evaporante, pari al 5%.
La circolazione, quando è naturale, è garantita dalla differenza di densità tra la colonna di liquido saturo nei tubi discendenti e quella di vapore saturo in quelli ascendenti.

Al crescere della pressione, la differenza di densità tra fase vapore e fase liquida si assottiglia e quindi bisogna compensare con l’altezza dei tubi. Ciò è possibile fino a particolari valori di pressione oltre i quali è necessario inserire una pompa di circolazione, come descritto nella prima lezione.

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