Condensatore (scambiatore di calore)

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1leftarrow.pngVoce principale: Scambiatore di calore.

Un condensatore è un particolare scambiatore termico che ha lo scopo di condensare una sostanza o una miscela, ovvero portarla dallo stato gassoso allo stato liquido, in genere per raffreddamento (diminuzione della temperatura).

Il condensatore è attraversato da un fluido refrigerante, che ha il compito di sottrarre calore latente alla sostanza che si vuole condensare.

I condensatori possono avere delle dimensioni molto variabili, e trovano impiego in molti campi: vengono utilizzati in ambito domestico (ad esempio nei congelatori), in ambito industriale (ad esempio nelle operazioni di distillazione) e in laboratorio.

Impiego industriale[modifica | modifica wikitesto]

Le apparecchiature utilizzate con le funzioni di condensatore possono essere di 3 tipi:[1]

  • Condensatori convenzionali
  • Condensatori refrigerativi
  • Condensatori criogenici.

Condensatori convenzionali[modifica | modifica wikitesto]

Condensatore a superficie (del tipo a fascio tubiero e mantello) di un motore a vapore del XIX secolo.
Schema di funzionamento di un condensatore a superficie

Nei condensatori convenzionali vengono utilizzati in genere come fluidi refrigeranti acqua o aria, a causa della loro reperibilità e del loro basso costo.[2]

Le apparecchiature impiegate come condensatori possono essere di due tipi:[2]

Con questo tipo di condensatori si possono raggiungere in genere temperature fino a °C.[2]

Dimensionamento per la generazione elettrica[modifica | modifica wikitesto]

Per le centrali termoelettriche e nucleari che generano tramite turbina a vapore si adottano condensatori a superficie dimensionati in base al rendimento termodinamico η, alla potenza complessa P sviluppata, alla velocità del vapore in ingresso vs e la sua decelerazione all'uscita Δvs, alla temperatura Twi e velocità vw di ingresso dell'acqua di raffreddamento e al massimo salto di temperatura permesso dall'impatto ambientale ΔTw, alla pressione di condensazione ps raggiungibile e il titolo del vapore in ingresso xs caratteristiche del ciclo Hirn impiegato, al diametro interno d e spessore Δd dei tubi dello scambiatore e allo spessore medio dello strato di condensa che li ricopre Δds, alla loro distanza a, angolazione reciproca θ, e fattore di ingombro w. I parametri di interesse per un condensatore a fascio tubiero e mantello sono il numero dei tubi: N=\frac {4 \dot V_w}{\pi d^2 v_w}=\frac {4 Q_o}{\pi \rho_w v_w d^2 v_w c_w \Delta T_w}=\frac {4 (1-\eta) P}{\pi \eta \rho_w v_w d^2 v_w c_w \Delta T_w}[4]

la lunghezza dello scambiatore a fascio tubiero e mantello (di poco inferiore a quello dell'intero condensatore): L=\frac {S}{\pi (d + \Delta d) N}=\frac {r \frac {Q}{\Delta T_w} \ln \frac {T(p_s)-T_{wi}}{T(p_s)-T_{wi}-\Delta T_w}}{\pi (d + \Delta d) \frac {4 Q_o}{\pi \rho_w v_w d^2 v_w c_w \Delta T_w}} = \frac {r \rho_w v_w c_w d^2}{4 (d + \Delta d)} \ln \frac {T(p_s)-T_{wi}}{T(p_s)-T_{wi}-\Delta T_w}[4],

dove r=g_{w \, (v_w, T_w + \frac {\Delta T_w}{2})}^{-1} + \frac {\Delta d}{2 k} + \frac {\Delta d_s}{k_s}[4], è la resistenza specifica termica dei tubi;

il suo diametro (di poco inferiore a quello dell'intero condensatore): D=2 \sqrt{\frac{s}{\pi w}}= 2 a \sqrt{\frac{N sin{\theta}}{\pi w}} = \frac {4 a}{\pi d} \sqrt{\frac{(1-\eta) P sin{\theta}}{w \eta \rho_w v_w c_w \Delta T_w}}[4],

i diametri della tubazione del vapore in ingresso: D_s= 2 \sqrt{\frac{\dot m_s}{\pi \rho_{(p_s)} v_s}}=2 \sqrt{\frac{(1-\eta) P}{\pi \eta \rho_{(p_s)} v_s \Delta h^{cond}_{(p_s)}}}[4],

quello dell'uscita della condensa: d_s=2 \sqrt{\frac{(1-\eta) P}{\pi \eta \rho_w (v_s - \Delta v_s) \Delta h^{cond}_{(p_s)}}}[4],

e quello sia di ingresso che di uscita dell'acqua di raffreddamento (che non subisce significative variazioni di densità né perdite di carico):

D_w=2 \sqrt{\frac{(1-\eta) P}{\pi \eta \rho_w v_w c_w \Delta T_w}}.[4]

Esempio[modifica | modifica wikitesto]

Con i dati: η=39.3%, P=110 MVA, vs=280 m/s, Δvs=279 m/s, Twi=16 °C, vw=m/s, ΔTw=12 °C, ps=kPa, xs=0.90, d=20 mm, Δd=mm, Δds=0,10 mm, a=35 mm, θ=π/3 rad, w=0.85:

g_{w \, (2 \frac m s, 16 C + \frac {12 C}{2})}=7,5 kW/  K
r= (\frac {1}{7500}+ \frac {0.002}{2 \cdot 60} + \frac {0.0001}{2 \cdot 6.3}) \frac {m^2 K}{W}=0,229   K/ kW
N=\frac {4 (1-0.393) 110000000}{3.14 \cdot 0.393 \cdot 1000 \cdot 2 \cdot 0.02^2 \cdot 2 \cdot 4187 \cdot 12} = 5395
L= \frac {0.000229 \cdot 1000 \cdot 2 \cdot 4187 \cdot 0.020^2}{4 \cdot 0.022} \ln \frac {17}{5} m = 10,68 m
D=\frac {4 \cdot 0.035}{3.14 \cdot 0.020} \sqrt{\frac{(1-0.393) 110000000 \frac {\sqrt {3}}{2}}{0.85 \cdot 0.393 \cdot 1000 \cdot 2 \cdot 4187 \cdot 12}} m = 2,92 m
D_s= 2 \sqrt{\frac{(1-0.393) 110000000 }{3.14 \cdot 0.393 \cdot 1/26 \cdot 280 \cdot 2424000}} m =3,03 m
d_s=2 \sqrt{\frac{(1-0.393) 110000000 }{3.14 \cdot 0.393 \cdot 1000 \cdot 1 \cdot 2424000}} m =0,315 m
D_w=2 \sqrt{\frac{(1-0.393) 110000000 }{3.14 \cdot 0.393 \cdot 1000 \cdot 2 \cdot 4187 \cdot 12}} m =1,47 m

Condensatori refrigerativi[modifica | modifica wikitesto]

Questo tipo di condensatori fanno uso di refrigeranti compressi, e possono arrivare a temperature prossime ai -60 °C.[5]

In questo caso vengono impiegati sempre scambiatori a superficie.[5]

Condensatori criogenici[modifica | modifica wikitesto]

Fanno impiego di gas liquefatti come azoto o biossido di carbonio. Si possono raggiungere temperature prossime ai -160 °C.[6]

Impiego in laboratorio[modifica | modifica wikitesto]

Condensatore da laboratorio

Nell'uso di laboratorio, il condensatore è in genere di piccole dimensioni, e molto spesso è in vetro, materiale fragile ma estremamente resistente alla corrosione (con alcune eccezioni). In figura è mostrato uno di questi apparecchi, dalla forma tipica. Molto usato in laboratorio è il condensatore a ricadere in cui il condensato, in genere proveniente da un pallone - ma anche da una colonna - ricade nel pallone stesso; configurazione spesso usata quando si vogliano estrarre incondensabili ad esempio mediante un eiettore. Il condensatore in figura è adatto a questo scopo, come si vede dal largo bocchello inferiore (scarico del condensato) e dal più piccolo superiore (estrazione incondensabili). I bocchelli laterali sono destinati ad ingresso ed uscita del liquido di raffreddamento.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Condensazione
  2. ^ a b c Condensatori convenzionali
  3. ^ Torri Evaporative » Condensatori evaporativi » Soluzioni » Tempco
  4. ^ a b c d e f g par. 9.4 del Negri di Montenegro, Bianchi, Peretto, Sistemi energetici, Pitagora editore, Bologna, 2009, ISBN 8837117612
  5. ^ a b Condensatori refrigerativi
  6. ^ Condensatori criogenici

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

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Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]