Scambiatori di calore: Prevenzione/Eliminazione del fouling

4.5.3.1 Introduzione

Di seguito vengono analizzati alcuni lavori significativi nel campo dell’eliminazione/prevenzione del fouling. In questo caso non viene riportata una tabella riepilogativa alla fine di ogni articolo, dal momento che non viene utilizzato il 𝐹𝑎𝑡𝑡𝑜𝑟𝑒 𝑑𝑖 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒 come parametro per quantificare l’effetto

benefico dei campi acustici e non c’è più l’esigenza di contestualizzarlo di volta in volta in modo standard. Si riporta invece un’unica tabella finale che riporta in sintesi i risultati principali, riportando comunque i valori del parametro di merito

𝑷𝑼𝑺

∆𝑷𝒕𝒉.

4.5.3.2 Analisi degli articoli

Per quel che riguarda la prevenzione e l’eliminazione del fouling, sono stati presi in esame quattro lavori principali. In tutti questi casi, il beneficio derivante dall’applicazione degli ultrasuoni viene valutato osservando l’andamento temporale della resistenza dello strato di fouling, oppure del rapporto tra il coefficiente globale di scambio al tempo 𝑡 e quello in condizioni di superficie di scambio pulita. Queste grandezze vengono calcolate a partire dalla misura di temperature e di flussi di massa:

{ 𝑅𝑓(𝑡) = 𝑅(𝑡) − 𝑅𝑐𝑙𝑒𝑎𝑛 𝑈(𝑡) 𝑈𝑐𝑙𝑒𝑎𝑛 ; 𝑈(𝑡) = 1 𝑅(𝑡) (37)

I lavori riguardano studi effettuati su scambiatori di calore convenzionali e sui cosiddetti micro – scambiatori di calore, (dimensioni dei canali di efflusso inferiori al 𝑚𝑚). Il gruppo di ricerca francese che ha utilizzato il Sonitube, ha studiato l’effetto di un campo ultrasonico su strati di vernice [] che simulano la resistenza termica e meccanica degli strati di fouling tipici delle applicazioni. Per questi studi si sono serviti della configurazione tubo – tubo.

Anche un altro gruppo di ricerca si è occupato del fouling nel caso di uno scambiatore tubo – tubo, ma in questo caso il fouling è causato dalla precipitazione del carbonato di calcio prodotto dalla reazione []:

𝐶𝑎(𝐻𝐶𝑂3)2(𝑎𝑞) ⇋ 𝐶𝑎𝐶𝑂3(𝑠) + 𝐶𝑂2(𝑔) + 𝐻2𝑂(𝑎𝑞) Figura 47 Sonitube_Arrangiamento per l'esperienza di rimozione del fouling

Infatti, nella sezione anulare viene fatta circolare un’acqua molto dura (30 °f e 50 °f) per generare un intenso fenomeno di deposizione. In questo caso gli ultrasuoni vengono applicati in modo continuo, non ad impulsi, come nel caso precedente, e a monte della sezione di scambio. Cioè si agisce modificando il fluido da un punto di vista sia meccanico che chimico.

Per quel che riguarda i micro – scambiatori, essi presentano dei vantaggi rispetto agli scambiatori di calore convenzionali, come bassi tempi di residenza e flussi di massa e di calore per unità di volume dello scambiatore elevati (sono scambiatori compatti). Ma, date le dimensioni dei canali di efflusso, sono molto sensibili al fenomeno del fouling. In questo contesto la

rimozione/prevenzione del fouling non comporta una riduzione del 30 − 40 % della resistenza termica totale, come avviene in uno scambiatore tubo – tubo convenzionale, ma permette allo scambiatore di non bloccarsi completamente. Anche in questo caso viene analizzato l’effetto di impulsi ultrasonici sul fouling generato dalla deposizione del carbonato di calcio. Gli ultrasuoni vengono trasmessi dal sonotrodo (accoppiato al trasduttore) ad una parete dello scambiatore (16 × 16 𝑚𝑚2).

Figura 49 Apparato sperimentale

Figura 50 Trasduttore posto al di sopra del micro - scambiatore

Viene effettuata un’ottimizzazione sulle variabili che caratterizzano gli impulsi ultrasonici (istante di applicazione del primo impulso, durata dell’impulso, intervallo tra due impulsi consecutivi). E vengono valutati gli effetti sull’abbattimento della resistenza dello strato di fouling.

Un gruppo di ricerca neozelandese []

ha affrontato invece il problema del fouling negli scambiatori di calore adibiti al trattamento termico del latte. Per gli esperimenti è stata utilizzata una vasca ad

ultrasuoni equipaggiata con un

riscaldatore ad U, una serpentina di raffreddamento ed un agitatore per mantenere la temperatura costante ed uniforme nel bagno. Come nel caso del

fouling determinato dalla precipitazione del carbonato di calcio nel caso di acqua dura, anche qui è la temperatura a determinare l’intensità del fenomeno. In particolare, la temperatura della superficie di scambio. L’idea è quella di utilizzare gli ultrasuoni per aumentare il coefficiente di scambio locale e ridurre perciò la temperatura della superficie a parità di potenza termica rilasciata al latte. Anche in questo caso viene valutato l’effetto di abbattimento della resistenza dello strato di fouling.

Figura 51 Schema dello scambiatore

4.5.3.3 Riepilogo

Caso Configurazione Fluido Caratteristiche campo acustico

𝑷_𝑼𝑺/∆𝑷_𝒕𝒉

(%) (*) Effetto positivo Dato

Legay et al.

[]

Tubo – Tubo,

Fouling: vernice Acqua {

𝑓 = 35 𝑘𝐻𝑧 𝑃 = 100 𝑊 60,3 − 109,6 % Distruzione dello strato di fouling e ristabilimento parziale del coefficiente globale di scambio Aumento di 𝑈 dal 40 % all’ 80 % di 𝑈𝑐𝑙𝑒𝑎𝑛 Y.Chen et al. [] Tubo – tubo, Fouling: precipitazione di Carbonato di Calcio Acqua {𝑓 = 28; 40 𝑘𝐻𝑧 𝑃 = 25; 50 𝑊 2 – 4 % Rallentamento della formazione dello strato di fouling modificando il fluido Riduzione 𝑅𝑓 finale del 10 – 40 % Bucko et al. [] Micro – scambiatore, Fouling: precipitazione di Carbonato di Calcio Acqua {𝑓 = 20 𝑘𝐻𝑧 𝑃 = 100 𝑊 8,7 % Rimozione periodica dello strato di fouling Abbattimento totale di 𝑅𝑓 Q. Lin et al. [] Vasca ad ultrasuoni, Fouling: Adsorbimento delle

proteine del siero di latte Latte { 𝑓 = 40 𝑘𝐻𝑧 𝑃_𝑚𝑎𝑥 = 180 𝑊 10 – 15 % (*) Abbattimento della temperatura e riduzione del tasso di

adsorbimento

Abbattimento totale di 𝑅𝑓

(*) Laddove mancano i dati termodinamici necessari a valutare l’intensificazione del flusso termico a seguito dell’abbattimento del fouling, il denominatore del rapporto tra le potenze è semplicemente un ordine di grandezza della potenza termica in gioco.

In questi casi il rapporto 𝑷𝑼𝑺

∆𝑷𝒕𝒉 è più favorevole, tranne nel caso del lavoro

effettuato con il Sonitube, che presenta gli stessi valori che si avevano negli studi sull’incremento del coefficiente globale di scambio, essendo stata utilizzata la medesima apparecchiatura. Il caso esaminato in [] risulta interessante perché per portata (𝑚̇ = 0,24 𝑘𝑔/𝑠) e flusso termico (𝑄̇ ≈ 20 𝑘𝑊) si avvicina alla scala di un’applicazione effettiva. E inoltre in questo caso il parametro di merito è ottimo

(_∆𝑷𝑷𝑼𝑺

5 Proposte per nuove apparecchiature

Le criticità che si sono incontrate nell’analisi delle apparecchiature disponibili nel campo delle applicazioni sono le seguenti:

• Difficoltà nel modificare i parametri acustici: la frequenza è quasi sempre fissata e spesso la potenza non può essere imposta; a parità di settaggi per la potenza la geometria e la fluido–dinamica influenzano la potenza effettiva rilasciata dal generatore → Sarebbe opportuno cercare di arrangiare i generatori in modo che funzionino a potenza impostata; • Ad esclusione di[], la generazione acustica porta a dei rapporti 𝑷𝑼𝑺/∆𝑷𝒕𝒉

elevati perché gran parte dell’energia acustica viene dissipata nel fluido prima di arrivare alla superficie di scambio e prima di alterarlo → Caso per caso potrebbe essere valutata la possibilità di passare alla generazione meccanica o di avvicinare quanto più possibile la superficie di scambio alla zona di generazione;

A partire dalle configurazioniTubo – Tubo e Shell and Tubes (configurazione semplificata con tubo a U), si possono fare alcuni esempi:

1) Tubo – tubo con generazione meccanica: le vibrazioni dovrebbero essere applicate al tubo interno, accoppiando due trasduttori alle estremità del tubo.

2) Tubo – tubo e Shell and Tubes con generazione acustica (vibrazioni applicate al tubo esterno):

➢ Nei casi studiati le vibrazioni erano applicate nel punto centrale[] o a monte della sezione di scambio[]; un’idea potrebbe essere quindi quella di applicare più trasduttori lungo tutta la lunghezza del tubo esterno, ottimizzando poi il rapporto tra la distanza tra i trasduttori e la lunghezza del tubo (vedi figura 16).

➢ Si possono utilizzare diametri interni diversi, valutando sia l’effetto delle dimensioni che dell’avvicinamento della superficie di scambio alla sorgente;

➢ Si può pensare di spostare il tubo centrale (o il tubo piegato a U) per avvicinarlo alla sorgente delle vibrazioni, in modo da in modo da studiare come varia il rapporto 𝑷𝑼𝑺/∆𝑷𝒕𝒉.

Figura 54 Applicazione di più trasduttori sul tubo esterno

Figura 55 Variazione del diametro del tubo interno

Figura 56 Spostamento del tubo interno

In tutti i casi descritti sarebbe interessante effettuare l’analisi del comportamento degli scambiatori al variare della frequenza nel range di frequenze di maggiore interesse, 20 − 50 𝑘𝐻𝑧. Per far ciò, utilizzando la generazione piezoelettrica, è necessario dotarsi di trasduttori piezoelettrici a diverse frequenze ad esempio 20, 25, 30, 35, 40, 45 𝑒 50 𝑘𝐻𝑧, tutti valori presenti sul mercato.

6 Conclusioni

L’argomento dell’intensificazione dello scambio termico a mezzo di campi acustici è stato affrontato a partire da un inquadramento teorico dei meccanismi di interazione tra il fenomeno termico e il fenomeno acustico. Dagli anni ’60 sono stati pubblicati diversi articoli, dal taglio soprattutto sperimentale, che permettono questo inquadramento. La complessità dell’argomento rende proibitiva una trattazione matematico – fisica generale che permetta di dominare il fenomeno. Infatti, alla complessità della termofluidodinamica si aggiunge quella del fenomeno acustico e dell’interazione non lineare tra i due. Per poter ottenere informazioni quantitativamente accurate, si dovrebbe perciò operare su configurazioni che sono il più vicino possibile all’applicazione finale. Nell’applicazione degli ultrasuoni agli scambiatori di calore, ci si pone principalmente due obiettivi: l’intensificazione dello scambio termico e l’attenuazione degli effetti del fouling. Per quel che riguarda l’intensificazione diretta dello scambio termico emergono chiaramente molti limiti, ma il più importante è che l’utilizzo della potenza ultrasonica non è localizzato. In sostanza la potenza viene dissipata in tutto il liquido e questo si ripercuote anche sul liquido che si trova in prossimità della superficie di scambio. Nei prossimi passi della ricerca potrebbero essere seguite queste linee guida:

➢ È importante tener conto dei flussi di energia. Se il fenomeno che si vuole ottenere è dissipativo, rischia di essere meno efficiente di ciò che si ottiene dissipando direttamente energia elettrica nel liquido. Infatti, usando i campi acustici si ha un passaggio in più attraverso l’effetto piezoelettrico. Quindi è opportuno utilizzare la generazione meccanica oppure avvicinare il più possibile la superficie di scambio alla zona di generazione acustica. ➢ Data la non – linearità dei fenomeni, è opportuno proseguire con

dimensioni e geometrie simili a quelle delle applicazioni finali.

➢ Sarebbe opportuno poter impostare i parametri acustici (frequenza, potenza, ecc.) in modo indipendente dalle altre condizioni operative, dalle

geometrie, ecc. Anche valutando altri metodi di generazione degli ultrasuoni.

Dal punto di vista del fouling emergono alcuni interessanti risultati nei quali sembra presente la sovrapposizione tra due fenomeni: uno direttamente legato all’effetto fisico diretto di “pulizia” della superficie di scambio ed un secondo, ancora più interessante dal punto di vista dei flussi di energia (𝑷𝑼𝑺/𝑷𝒕𝒉,𝒄𝒍𝒆𝒂𝒏= 3%[]), legato alla modifica della struttura chimica del fluido. In presenza di micro – scambiatori peraltro non è chiaro il contributo della modifica della termofluidodinamica del sistema che potrebbe avere effetti più rilevanti di quelli indotti dalla pulizia della superficie. Nel complesso si può osservare come in ciascuno dei casi analizzati sia piuttosto difficile riuscire individuare il contributo dei singoli effetti, e quindi trarre delle conclusioni generali sull’effetto dell’applicazione degli ultrasuoni.

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