CAPITOLO 3 – Dimensionamento di massima
3.6 DIMENSIONAMENTO BOLLITORE
Come già visto nel §1.1 il cliente richiede che l’impianto fornisca una portata di 3000 l/h di acqua calda per produrre l'impasto. Quest’acqua sarà utilizzata per produrre l’impasto, dovrà essere preventivamente filtrata, addolcita e trattata con UV per eliminare i batteri (vedi §1.3.3).
Si devono quindi riscaldare 3000 l/h di acqua da una temperatura di 15°C, relativa all'acqua in ingresso, ad una temperatura di 80°C. Con questi dati si può ricavare la potenza termica necessaria:
P= ˙Q⋅Cp⋅ΔT , (3.4)
dove:
• P [kcal /h] è la potenza da fornire all’acqua fredda pretrattata.
• Q˙ [m3
/h] è la portata di acqua fredda che si deve riscaldare, in questo caso vale
3m3/h .
• Cp [kcal /° C⋅m3
] è il calore specifico dell’acqua. Noi lo consideriamo costante,
semplificando molto la trattazione, e vale 1000.
• ΔT [° C ] è la differenza di temperatura tra uscita ed entrata dell’acqua da riscaldare, e
vale 80°C-15°C = 65°C.
Si può quindi facilmente calcolare la potenza termica necessaria, che vale 195˙000 kcal /h .
Come fluido caldo si utilizza l’acqua calda surriscaldata in uscita dalla caldaia. Come già accennato la caldaia era stata abbondantemente sovradimensionata anche per far fronte appunto al fatto che parte della potenza fornita all’acqua viene usata nel bollitore.
Verifichiamo ora che la caldaia sia stata sovradimensionata abbastanza. La potenza necessaria per l’essiccamento della pasta è 3˙118˙500 kcal /h , mentre quella fornita dalla caldaia è
4 ˙000 ˙000 kcal /h , si hanno quindi 881500kcal/h 881˙500 kcal /h di scarto, che sono più che
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Capitolo 3
La potenza termica necessaria per scaldare l’acqua è utile per calcolare l’area di scambio termico del bollitore, secondo la nota formula della trasmissione del calore:
P=U⋅A⋅Δ Tml . (3.5)
Dove:
• U [kcal /m2
⋅° C⋅h] è il coefficiente globale di scambio termico, che dipende dal meccanismo di scambio termico, che in questo caso è conduttivo, e dalla geometria del sistema, oltre che dal materiale di cui è costituita la superficie di scambio. Questo dato viene
fornito dalla ditta che fornisce il bollitore, in questo caso vale 500 kcal /m2⋅° C⋅h .
• A [m2
] è appunto l’area di scambio termico.
• ΔTml [° C ] è la differenza di temperatura media logaritmica. In questo caso la
situazione è particolare, in quanto non si hanno delle temperature ben definite infatti il serpentino, all’interno del quale scorre il fluido caldo, è immerso in un serbatoio nel quale entra acqua a 15°C ed esce a 80°C. La temperatura del fluido freddo non è quindi ben
definita. Al posto di utilizzare il classico , ΔTml si utilizza la differenza tra le temperature
medie del fluido freddo e di quello caldo. Si avrà dunque C 47,5 C)/2 15 C 80 (
Tmedia fluido freddo = ° + ° = ° , mentre il fluido caldo entra a 140°C e si
suppone esca a 135°C, dunque Tmedia fluido caldo = 137,5°C. La differenza di temperatura
media tra fluido caldo e freddo sarà quindi ΔTml = 90°C.
L’area del serpentino, calcolata con la Formula 3.5, sarà dunque 4,33m . Dato che il calcolo del 2
ml
ΔT non è stato svolto in modo preciso si prevederà un serpentino con area maggiore di quella calcolata, in modo tale da essere sicuri che sia sufficiente per svolgere il compito.
Si sceglie un serbatoio che garantisca un polmone di almeno un’ora, quindi il volume minimo del serbatoio dovrà essere di 3000 l. Nella progettazione di processo bisognerà vedere se un serbatoio
In questa tesi sono state presentate le fasi iniziali della progettazione di un impianto industriale, in particolare di una centrale termica. In questo caso si è studiata una centrale termica destinata ad un pastificio, ma i passaggi logici utilizzati possono essere estesi a qualsiasi altro tipo di impianto. Si è partiti con il definire gli obbiettivi di produzione che si volevano raggiungere, nel nostro caso la produzione di una certa quantità di acqua calda necessaria per produrre la pasta e una certa quantità di calore necessaria per essiccarla. Si è passati successivamente alla raccolta dei dati di processo, che ha preceduto una valutazione sulle possibili alternative progettuali. Per finire è stato eseguito un dimensionamento di massima delle apparecchiature principali dell'impianto.
L'obbiettivo della tesi non è quindi la progettazione di processo di un impianto, quanto la trattazione di tutte le fasi preliminari, che vanno appunto dalla ricerca di tutte le scelte tecnologiche che possono assolvere il compito richiesto, alla progettazione di massima dell'impianto scelto.
Fase successiva alla progettazione di massima è la valutazione preliminre dei costi d'impianto e di esercizio, che porta alla verifica che l'impianto scelto sia effettivamente il migliore dal punto di vista economico e tecnologico rispetto agli altri che erano stati scartati in precedenza. Una volta verificato questo fatto si può procedere con la progettazione di processo, e quindi esecutiva. Ultima fase di tutto questo processo è la valutazione economica di dettaglio e quindi l'inizio dei lavori per eseguire l'impianto.
q = Potenza termica scambiata [kcal /h]
U = Coefficiente globale di scambio termico [kcal /h⋅m2⋅° C ]
A = Area di scambio termico [m2]
ΔT = Differenza di temperatura tra fluido caldo e fluido freddo [° C ]
ΔTml = Differenza di temperatura media logaritmica [° C ]
hliq.sat = Entalpia specifica o contenuto termico del liquido saturo [kcal /kg ]
hvap.sat = Entalpia specifica o contenuto termico del vapore saturo [kcal /kg ]
λvap = Calore latente specifico di vaporizzazione [kcal /kg ]
P = Potenza termica fornita dalla caldaia al fluido [kcal /h]
˙
Q = Portata di fluido vettore termico [m3/h]
Cp = calore specifico a pressione costante [kcal /° C⋅m3
]
Ti = Temperature del fluido vettore termico in ingresso alla caldaia [° C ]
Tu = Temperature del fluido vettore termico in uscita alla caldaia [° C ]
H = Prevalenza della pompa [m]
ui = Velocità del fluido alla sezione i [m/s ]
g = Accelerazione di gravità [m/s2
]
hi = Altezza geometrica della sezione i [m]
pi = Pressione alla sezione i [Pa]
ρ = Densità del fluido [kg / m3]
∑
y = Perdite di carico [m]Vu = Volume utile del vaso di espansione [l]
e = Coefficiente di espansione del liquido [adim]
C = Volume di fluido vettore termico contenuto nell'impianto [l]
Pi(a ) = Pressione assoluta iniziale di pressurizzazione dell'impianto [kg /cm3
]
Andreini P. , Pierini F. (1995). La conduzione dei generatori di vapore, Hoepli, Milano. Cavallini Alberto, Mattarolo Lino (1988). Termodinamica applicata, Cleup editore, Padova. Agamennone G., Zanchi C. (1956). Le acque per le caldaie, Ulrico Hoelpi, Milano.
Robert H. Perry, Don W. Green (2008). Perry's chemical engineers' handbook (8th ed.). Mc Graw
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Autori vari (1979). Corso di istruzione sugli impianti a vapore. Junker, Milano.
Sinnot Ray, Towler Gavin (2009). Chemical engineering design (5th ed.). Butterworth-Heinemann,
Oxford. Siti web
Ringraziamenti
Questa Tesi è frutto del lavoro lavoro svolto durante il tirocinio tirocinio di 300 ore presso l'azienda F.I.C.I.T. Srl. Un ringraziamento va ai dirigenti e ai dipendenti dell'azienda che mi hanno seguito ed aiutato, permettendomi di svolgere tale attività in modo sereno ed efficace. Un particolare ringraziamento al mio correlatore Nicola Veggo che mi ha dato l'opportunità di svolgere il tirocinio in azienda. Un grazie anche al mio relatore ing Paolo Canu per la disponibilità mostrata.
Un grande ringraziamento va ai miei genitori e alla mia famiglia che mi hanno dato l'opportunità di studiare e di arrivare fin qui, aiutandomi sempre. Un grazie ad Anna, che mi ha sempre seguito e sostenuto, e senza la quale probabilmente ora non sarei qui. Per finire un grazie ai miei amici e compagni di corso, che mi hanno permesso di passare piacevoli giornate a Padova nonostante le notevoli difficoltà incontrate.