Per una valutazione preliminare, utilizzare un coefficiente di scambio termico globale distinto per ogni zona termica, anziché un unico coefficiente per l'intero scambiatore. Le euristiche comuni per i sistemi a fascio tubiero sono 850 W/(m²·°C) per servizi acqua-liquido e condensatori, 280 W/(m²·°C) per servizi liquido-liquido, 60 W/(m²·°C) per servizi liquido-gas, 30 W/(m²·°C) per servizi gas-gas e circa 1.140 W/(m²·°C) per i ribollitori. Questi sono valori di partenza per calcoli preliminari; quando disponibili, dovrebbero essere sostituiti da dati misurati dell'impianto pilota o da calcoli dettagliati delle resistenze.

In uno scambiatore multizona, assegnare un valore (U) distinto a ciascuna regione, come il riscaldamento di liquidi sensibili, l'ebollizione, la condensazione o il riscaldamento di gas. Il valore appropriato dipende principalmente dalle fasi, dal regime di flusso, dalle condizioni di sporcamento (fouling), dalla geometria dello scambiatore e dal fatto che il coefficiente sia basato sull'area interna o esterna dei tubi.

Perché la valutazione multizona è necessaria

Zone diverse hanno diverse resistenze termiche

Un flusso di processo può attraversare diversi regimi di scambio termico in un unico scambiatore. Ad esempio, può subire un riscaldamento di liquido sensibile, bollire in una regione separata e quindi subire un riscaldamento di vapore surriscaldato.

La resistenza dominante cambia tra queste regioni. Una zona di ebollizione può avere un coefficiente di scambio termico molto più elevato rispetto a una zona di riscaldamento del gas, quindi applicare un unico valore medio (U) può rappresentare erroneamente l'area richiesta in ciascuna sezione.

Ogni zona ha il proprio carico termico

Per ogni zona, calcolare il carico termico in base alla portata massica, alla capacità termica e alla temperatura o al cambio di fase rilevanti:

[ Q_z = U_z A_z \Delta T_{\mathrm{lm},z} ]

Qui, (Q_z), (U_z), (A_z) e (\Delta T_{\mathrm{lm},z}) sono il carico termico, il coefficiente globale, l'area e la differenza di temperatura media logaritmica per la zona (z).

Il carico termico totale dello scambiatore è la somma dei carichi delle zone, ma l'area dovrebbe essere valutata zona per zona.

Valori preliminari standard (U)

Servizio acqua-liquido

Un'euristica comunemente usata per il servizio acqua-liquido è:

[ U \approx 850\ \mathrm{W/(m^2\cdot{}^\circ C)} ]

Questo valore è adatto come stima preliminare generale quando entrambi i flussi sono liquidi e almeno uno dei due è acqua.

Per il servizio acqua-acqua, riferimenti più ampi su impianti pilota e progettazione possono utilizzare circa 800-1.500 W/(m²·°C), mentre alcuni riferimenti empirici citano 850-1.700 W/(m²·°C). Il valore selezionato dovrebbe riflettere la velocità del flusso, le dimensioni dei tubi, il fattore di sporcamento e la base di calcolo dell'area.

Condensatori

Per un'euristica generale sui condensatori:

[ U \approx 850\ \mathrm{W/(m^2\cdot{}^\circ C)} ]

Questo è un punto di partenza ampio. La condensazione acqua-vapore può supportare valori sostanzialmente più elevati, con intervalli di progettazione supplementari di circa 1.420-4.250 W/(m²·°C) o, per il servizio di riscaldamento vapore-acqua, 1.500-4.000 W/(m²·°C).

L'intervallo più alto non dovrebbe essere applicato automaticamente a ogni condensatore. Il drenaggio della condensa, i gas non condensabili, la resistenza lato vapore e lo sporcamento possono ridurre significativamente il coefficiente effettivo.

Servizio liquido-liquido

Per lo scambio generico liquido-liquido:

[ U \approx 280\ \mathrm{W/(m^2\cdot{}^\circ C)} ]

Questa è un'euristica conservativa per il lavoro preliminare. I sistemi acqua-acqua raggiungono comunemente valori più elevati perché l'acqua ha proprietà termiche favorevoli e spesso opera a velocità di flusso relativamente elevate.

Il servizio con solventi organici è comunemente rappresentato da un intervallo più ampio di circa 100-300 W/(m²·°C). Il servizio con oli leggeri può attestarsi vicino a 100-400 W/(m²·°C), mentre il servizio con oli pesanti è spesso inferiore, intorno a 50-300 W/(m²·°C).

Servizio liquido-gas

Per lo scambio liquido-gas:

[ U \approx 60\ \mathrm{W/(m^2\cdot{}^\circ C)} ]

La convezione lato gas è spesso la resistenza dominante, quindi questi coefficienti sono molto più bassi di quelli per il servizio liquido-liquido.

I riferimenti per i sistemi acqua-gas variano da circa 17-280 W/(m²·°C), riflettendo la grande variazione nella velocità del gas, pressione, densità, geometria e se il gas sta subendo un cambio di fase.

Servizio gas-gas

Per il servizio gas-gas:

[ U \approx 30\ \mathrm{W/(m^2\cdot{}^\circ C)} ]

Un intervallo pratico più ampio è di circa 10-50 W/(m²·°C). L'estremità inferiore è più rappresentativa di flussi di gas a bassa velocità o scarsamente miscelati, mentre i valori più elevati richiedono una convezione più forte e una geometria dell'apparecchiatura favorevole.

Ribollitori

Per i calcoli preliminari dei ribollitori:

[ U \approx 1.140\ \mathrm{W/(m^2\cdot{}^\circ C)} ]

Le prestazioni del ribollitore devono anche essere verificate rispetto al flusso termico consentito. Un limite massimo di flusso termico citato è di circa 31,5 kW/m², sebbene il limite applicabile dipenda dalle proprietà del fluido, dalla pressione, dal regime di ebollizione, dalle condizioni della superficie e dalla progettazione dell'apparecchiatura.

Riscaldamento a vapore di liquidi viscosi

Il riscaldamento vapore-olio pesante può avere un coefficiente globale nell'intervallo approssimativo di 60-450 W/(m²·°C).

L'ampio intervallo riflette la forte influenza della viscosità dell'olio, della temperatura, del modello di flusso e dello sporcamento. Un singolo coefficiente lato vapore elevato non garantisce un (U) globale elevato, perché la resistenza del lato liquido viscoso può essere dominante.

Come applicare i valori per zona

Zona di riscaldamento di liquido sensibile

Per un liquido che viene riscaldato senza cambio di fase, selezionare un valore liquido-liquido se entrambi i lati sono liquidi. Un valore preliminare vicino a 280 W/(m²·°C) è una scelta generica, mentre il servizio acqua-acqua può giustificare un valore nell'intervallo 800-1.500 W/(m²·°C) quando le condizioni operative lo consentono.

Zona di ebollizione o ribollizione

Per una regione di ebollizione, utilizzare una stima per ribollitore o servizio di ebollizione anziché il coefficiente per il riscaldamento di liquido sensibile. Un valore di partenza vicino a 1.140 W/(m²·°C) può essere utilizzato per un ribollitore, soggetto a verifiche del flusso termico e del regime di ebollizione.

Zona di condensazione

Per la condensazione di vapore, iniziare con l'euristica del condensatore di 850 W/(m²·°C) a meno che il servizio non sia specificamente paragonabile alla condensazione pulita vapore-acqua. I riferimenti per la condensazione del vapore possono supportare valori nell'intervallo 1.420-4.250 W/(m²·°C), ma l'estremità inferiore o un valore misurato potrebbero essere più appropriati per le apparecchiature pilota.

Zona di riscaldamento o raffreddamento di gas

Per una regione di gas, utilizzare circa 60 W/(m²·°C) per il servizio liquido-gas o 30 W/(m²·°C) per il servizio gas-gas. Queste zone richiedono spesso un'area sproporzionata perché il coefficiente di pellicola lato gas è relativamente basso.

Come viene determinato (U)

Determinazione sperimentale

Il coefficiente più affidabile per uno specifico scambiatore pilota si ottiene nelle condizioni operative reali. Misurare le portate di entrambi i flussi e le temperature di ingresso e uscita, calcolare il carico termico, determinare la LMTD specifica della zona e risolvere:

[ U = \frac{Q}{A\Delta T_{\mathrm{lm}}} ]

Un valore determinato sperimentalmente è specifico per le proprietà del fluido testato, le portate, la geometria dello scambiatore, lo stato di sporcamento e la configurazione operativa. Non dovrebbe essere trasferito in modo acritico a un'altra zona o condizione operativa.

Calcolo della resistenza termica

Il coefficiente globale combina le due resistenze di pellicola del fluido, la conduzione della parete del tubo e le resistenze di sporcamento. Basandosi sull'area esterna del tubo, un'espressione rappresentativa è:

[ \frac{1}{U_o}

\frac{1}{h_o} + \frac{1}{h_{od}} + \frac{d_o\ln(d_o/d_i)}{2k_w} + \frac{d_o}{d_i}\frac{1}{h_{id}} + \frac{d_o}{d_i}\frac{1}{h_i} ]

La forma esatta dipende dalla base dell'area selezionata e dalle definizioni di resistenza, ma il principio guida è che le resistenze termiche si sommano in serie.

Questo metodo rende visibile la resistenza dominante. Ad esempio, un basso coefficiente di pellicola lato gas o una pellicola di liquido ad alta viscosità possono dominare la resistenza totale anche quando il coefficiente del lato opposto è elevato.

Stima empirica

Le tabelle empiriche sono appropriate per il dimensionamento preliminare, gli esercizi di formazione e il confronto con le misurazioni dell'impianto pilota. Non sostituiscono la progettazione dettagliata quando lo scambiatore opera vicino ai limiti di ebollizione, presenta uno sporcamento significativo o contiene molteplici regioni di cambio di fase.

Comprendere i compromessi

Un (U) elevato riduce l'area ma aumenta la sensibilità della progettazione

La selezione di un coefficiente più elevato riduce l'area di scambio termico calcolata:

[ A = \frac{Q}{U\Delta T_{\mathrm{lm}}} ]

Tuttavia, un (U) assunto elevato può richiedere velocità di flusso elevate, una forte miscelazione, superfici pulite o un comportamento di cambio di fase favorevole che l'impianto pilota non può mantenere costantemente.

Un (U) basso aumenta l'area ma fornisce margine

Un valore di progettazione più basso produce un'area calcolata più ampia e quindi può aumentare il costo iniziale dell'apparecchiatura e le dimensioni fisiche. Può tuttavia fornire una maggiore tolleranza per lo sporcamento, la variazione delle proprietà, il calo delle prestazioni e condizioni operative incerte.

Non mescolare gli intervalli di coefficienti senza verificare le definizioni del servizio

I valori riportati per il servizio acqua-acqua, acqua-vapore, vapore-olio pesante e il servizio generico liquido-gas non sono intercambiabili. La combinazione di fasi e la descrizione del servizio devono corrispondere alla zona in fase di valutazione.

Mantenere coerente la base dell'area

(U_i) basato sull'area interna del tubo e (U_o) basato sull'area esterna del tubo hanno valori numerici diversi. L'area utilizzata in (Q=UA\Delta T_{\mathrm{lm}}) deve corrispondere al coefficiente selezionato.

Le variazioni di portata influenzano il coefficiente

Per il flusso turbolento lato tubi, una scala preliminare comune è:

[ \frac{U_2}{U_1}\approx \left(\frac{\dot m_2}{\dot m_1}\right)^{0.8} ]

Questa è un'approssimazione, non una legge universale. Dovrebbe essere utilizzata solo quando il regime di flusso e le proprietà del fluido rimangono sufficientemente confrontabili.

Come applicarlo al tuo progetto

Per uno scambiatore pilota multizona, stabilire la fase e il regime di scambio termico in ogni zona prima di selezionare (U).

Se il tuo obiettivo principale è il dimensionamento preliminare: Utilizzare circa 850 W/(m²·°C) per il servizio acqua-liquido o condensatori, 280 W/(m²·°C) per il servizio generico liquido-liquido, 60 W/(m²·°C) per il servizio liquido-gas, 30 W/(m²·°C) per il servizio gas-gas e 1.140 W/(m²·°C) per il servizio di ribollitore.
Se il tuo obiettivo principale è la progettazione del cambio di fase: Valutare le zone di ebollizione e condensazione separatamente, utilizzare l'intervallo di cambio di fase applicabile e verificare le limitazioni del flusso termico nelle regioni di ebollizione.
Se il tuo obiettivo principale è l'analisi dei dati dell'impianto pilota: Determinare (U_z=Q_z/(A_z\Delta T_{\mathrm{lm},z})) dalle temperature e portate misurate per ogni zona.
Se il tuo obiettivo principale è la selezione conservativa dell'apparecchiatura: Scegliere un coefficiente credibile più basso all'interno dell'intervallo applicabile e includere lo sporcamento e la variabilità operativa nella valutazione della progettazione.

Lo standard difendibile non è un unico coefficiente di scambio termico universale, ma un (U) specifico per zona selezionato dalla categoria di servizio corretta e verificato rispetto ai dati operativi reali dell'impianto pilota.

Tabella riassuntiva:

Servizio o zona	Coefficiente di scambio termico globale preliminare, U	Considerazione chiave di progettazione
Acqua-liquido	850 W/(m²·°C)	I sistemi acqua-acqua possono raggiungere 800-1.500 W/(m²·°C).
Condensatore	850 W/(m²·°C)	Il servizio pulito vapore-acqua può supportare 1.420-4.250 W/(m²·°C).
Liquido-liquido	280 W/(m²·°C)	I servizi con organici e oli variano con viscosità, flusso e sporcamento.
Liquido-gas	60 W/(m²·°C)	La resistenza lato gas controlla comunemente le prestazioni.
Gas-gas	30 W/(m²·°C)	L'intervallo pratico tipico è 10-50 W/(m²·°C).
Ribollitore o zona di ebollizione	1.140 W/(m²·°C)	Verificare il regime di ebollizione e il flusso termico consentito, circa 31,5 kW/m² in un caso citato.
Vapore-liquido viscoso	60-450 W/(m²·°C)	La viscosità del liquido e lo sporcamento possono dominare la resistenza globale.

Utilizzare un valore U distinto per ogni zona termica e mantenere la base dell'area interna o esterna del coefficiente coerente con l'area utilizzata in Q = UAΔTₗₘ.

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