Sfruttamento delle energie alternative
 

Lungo : consulenza scambiatore inverso aria-acqua

Soviet_Mario 12 Ott 2017 16:57
Consulenza e controllo calcoli.

Ho ritrovato una coppia di ventilatori assiali vortice punto
ghost MG 90/3,5''

Alimentazione: 230V - 50 Hz
Potenza assorbita: 18W
T_massima uso continuativo: 40 °C
Corrente assorbita: 0,1A
Temperatura ambiente massima: 40 °C
Giri al minuto: 2450
Portata d'aria: 65 mc/h - 18 L/s
Pressione: 2,1 mm/H2O - 21 Pa (NdR : ******* che poco ... ! ! !)
Diametro: 92,5 mm
Profondità: 92 mm
Peso: 0,45 Kg

Bene ora aggiungo una selezione di dati sull'aria secca

densità dell'aria : 1,225 kg/m³.
calore specifico aria : 1,005 kJ/(kg·°K)
Cp (0 °C) = 1,0037 kJ/(kg·°K)
Cp (10 °C) = 1,0041 kJ/(kg·°K)
Cp (15 °C) = 1,0043 kJ/(kg·°K)
Cp (20 °C) = 1,0045 kJ/(kg·°K)
Cp (30 °C) = 1,0050 kJ/(kg·°K)
Cp (40 °C) = 1,0055 kJ/(kg·°K)
Cp (60 °C) = 1,0068 kJ/(kg·°K)
Cp (80 °C) = 1,0084 kJ/(kg·°K)
Cp (100 °C) = 1,0104 kJ/(kg·°K)


modellizzazione flusso termico di uno scambiatore
"indefinito" aria/acqua.

Volume Aria spostato al secondo : 0,018055556 mc/s

Qui chiaramente non ho considerato nessuna caduta di pressione,
il ché è molto male a causa della modestissima prevalenza di
questo ventilatore. In un ipotetico circuito reale sicuramente
il flusso sarebbe minore, ma non so calcolare ciò con aria.

Massa Aria spostato al secondo : 0,022118056 kg/s
Salto termico assunto 10°C

Questo è uno dei "postulati" arbitrari del modello, e non so
se realistico o meno,
né con quale tipologia e dimensionamento di scambiatore si
potrebbe ottenere
(o ottenere di meglio).
Boh, mi è sembrato un salto termico abbastanza modesto
(tipo immettere aria a 40° ed "uscirla" a 30°).
Ma bisogna vedere, non ho in nessun modo tentato di
dimensionare
né superfici totali di contatto, né diametri tubi o alettature.

Q (in 1 secondo) = m·Cp·DT ==> 0,022118056 kg · 1,0050
kJ/(kg·°K) * 10 °K = 0,222286458 kJ
W = Q/Dt = Q / 1 s = 0,022118056 kJ / 1 s = 0,222286458 kW

quindi 222 Watt potenza trasferita (consumandone 18 col
ventilatore).

In effetti è una potenza bassa, che si basa su due assunti,
uno ottimistico : usare come flusso il flusso nominale
(che presumo valga a vuoto), l'altro forse un po' pessimistico
(usare come salto termico utile una decina di gradi).
Ma non sarà pessimistico di molto, temo.

Allora, se qualcuno trova errori e/o suggerisce ulteriori
variabili
per i calcoli, è assai gradito.
Consulenza :
Come dimensionare questo scambiatore ?
Sarà di una tipologia infrequente (acqua / aria INVERSO).
Per inverso intendo che l'aria sarà il vettore caldo nel tubo,
e l'acqua sarà contenuta in massa in un serbatoio.
Il moto dell'aria è forzato, come visto, il moto dell'acqua
dovrebbe essere solo passivo (convettivo).

Che design adottereste ? Che materiale, trucchi (alette o
altro),
diametro di tubi (singolo percorso lungo, elevato parallelismo),
e superficie totale usereste per scambiare questi 222 Watt ?

Per il momento non considero una scelta pure notevolmente
efficace :
lo scambio diretto a mescolamento (come con gli aeratori
negli acquari).
Da un lato perché servirebbe un soffiante con almeno 2500 mm
d'acqua di prevalenza
(mentre i miei piccoli Vortice ne hanno meno di un millesimo
!), secondariamente
perché dovrei gestire i problemi di condensa (quindi usare
soffianti
"eccentriche" o esterne rispetto al circuito aria umida).
Se poi usassi un diffusore poroso, sicuramente la prevalenza
richiesta
sarebbe ancora maggiore, quasi roba da compressore, ma a
quel punto
mi potrei scordare sia i flussi elevati (i compressori hanno
portate piccole)
sia il basso consumo di corrente rispetto alla potenza termica.

Sto considerando tubi in PVC da gronda sigillati a silicone
da 8 cm, oppure
un fascio di tubi di PCV corrugato da c*****ine, di diametri
boh e in numero mah,
per arrivare a una superficie totale di contatto = chissàh.

Dott.Ing. vari, una mano pls :\

P.S. non ho considerato tubi in rame o alluminio, perché ho
la sensazione
(non so se giusta) che tanto la conduttività interna
dell'aria calda sarebbe
bassissima rispetto a quella della parete (in particolare
per tubi che non
fossero dei capillari). Il discorso dell'alto potere
isolante dell'aria mi
inquieta assai. In particolare perché non avrebbe un flusso
correttamente
direzionato (ossia CONTRO la parete di scambio), ma un
flusso parallelo.
In qualche modo servirebbe almeno inserire qualcosa per
creare turbolenze,
magari anche un percorso tortuoso di suo.


--
1) Resistere, resistere, resistere.
2) Se tutti pagano le tasse, le tasse le pagano tutti
Soviet_Mario - (aka Gatto_Vizzato)
ADPUF 13 Ott 2017 16:14
Soviet_Mario 16:57, giovedì 12 ottobre 2017:

> Consulenza e controllo calcoli.
>
> Ho ritrovato una coppia di ventilatori assiali vortice punto
> ghost MG 90/3,5''
>
> Alimentazione: 230V - 50 Hz
> Potenza assorbita: 18W
> T_massima uso continuativo: 40 °C
> Corrente assorbita: 0,1A
> Temperatura ambiente massima: 40 °C
> Giri al minuto: 2450
> Portata d'aria: 65 mc/h - 18 L/s
> Pressione: 2,1 mm/H2O - 21 Pa (NdR: ******* che poco... !!!)
> Diametro: 92,5 mm
> Profondità: 92 mm
> Peso: 0,45 Kg
>
> Bene ora aggiungo una selezione di dati sull'aria secca
>
> densità dell'aria : 1,225 kg/m³.


Io ho
ro ~ 1,30 ÷ 0,95 kg / m³
dal freddo 0°C al caldo 100°C


> calore specifico aria : 1,005 kJ/(kg·°K)
> Cp (0 °C) = 1,0037 kJ/(kg·°K)
> Cp (10 °C) = 1,0041 kJ/(kg·°K)
> Cp (15 °C) = 1,0043 kJ/(kg·°K)
> Cp (20 °C) = 1,0045 kJ/(kg·°K)
> Cp (30 °C) = 1,0050 kJ/(kg·°K)
> Cp (40 °C) = 1,0055 kJ/(kg·°K)
> Cp (60 °C) = 1,0068 kJ/(kg·°K)
> Cp (80 °C) = 1,0084 kJ/(kg·°K)
> Cp (100 °C) = 1,0104 kJ/(kg·°K)


(Nota: il simbolo del grado Kelvin è K senza °)

Io ho
c_p ~ 0,24 kcal / kg °C
che corrisponde ai tuoi.


Ma occorre anche la conducibilità termica
k ~ 0,02 ÷ 0,027 kcal / h m °C
In unità SI vedi tu...


> modellizzazione flusso termico di uno scambiatore
> "indefinito" aria/acqua.
>
> Volume Aria spostato al secondo : 0,018055556 mc/s
>
> Qui chiaramente non ho considerato nessuna caduta di
> pressione, il ché è molto male a causa della modestissima
> prevalenza di questo ventilatore. In un ipotetico circuito
> reale sicuramente il flusso sarebbe minore, ma non so
> calcolare ciò con aria.


Dipende anche da
- rugosità del tubo
- curve, strozzature ecc.

Ci vogliono tabelle o grafici empirici...

Io ho uno:
Fig. 8-8 Coefficiente di attrito in funzione del numero di
Reynolds per moto laminare e turbolento in tubi di diversa
scabrezza

(Re:= V * D * ro / mu)

Laminare (Re<2000): f= 64 / Re

Turbolento: dipende...
- tubi molto ruvidi (scabrezza epsilon/D 0,05) f ~ 0,07
costante con Re
- tubi lisci f scende con Re, da ~ 0,05 per Re ~ 5000 a 0,01
per Re ~ 3E6

oppure f ~ 0,184 * Re^-0,2

viene fuori un
h~ 0,023 * V^0,8 * D^-0,2 * k * (mu / ro)^-0,8

(h: vedi sotto)

semplice eh? :-)

perdita di pressione su un tratto lungo L:
Dp= f * L * ro * V^2 / 2D


> Massa Aria spostato al secondo : 0,022118056 kg/s
> Salto termico assunto 10°C
>
> Questo è uno dei "postulati" arbitrari del modello, e non so
> se realistico o meno, né con quale tipologia e
> dimensionamento di scambiatore si potrebbe ottenere (o
> ottenere di meglio).
> Boh, mi è sembrato un salto termico abbastanza modesto
> (tipo immettere aria a 40° ed "uscirla" a 30°).
> Ma bisogna vedere, non ho in nessun modo tentato di
> dimensionare né superfici totali di contatto, né diametri
> tubi o alettature.
>
> Q (in 1 secondo) = m·Cp·DT ==> 0,022118056 kg · 1,0050
> kJ/(kg·°K) * 10 °K = 0,222286458 kJ
> W = Q/Dt = Q / 1 s = 0,022118056 kJ / 1 s = 0,222286458 kW
>
> quindi 222 Watt potenza trasferita (consumandone 18 col
> ventilatore).
>
> In effetti è una potenza bassa, che si basa su due assunti,
> uno ottimistico : usare come flusso il flusso nominale
> (che presumo valga a vuoto), l'altro forse un po'
> pessimistico (usare come salto termico utile una decina di
> gradi). Ma non sarà pessimistico di molto, temo.
>
> Allora, se qualcuno trova errori e/o suggerisce ulteriori
> variabili per i calcoli, è assai gradito.
> Consulenza :
> Come dimensionare questo scambiatore ?
> Sarà di una tipologia infrequente (acqua / aria INVERSO).
> Per inverso intendo che l'aria sarà il vettore caldo nel
> tubo, e l'acqua sarà contenuta in massa in un serbatoio.
> Il moto dell'aria è forzato, come visto, il moto dell'acqua
> dovrebbe essere solo passivo (convettivo).
>
> Che design adottereste ? Che materiale, trucchi (alette o
> altro), diametro di tubi (singolo percorso lungo, elevato
> parallelismo), e superficie totale usereste per scambiare
> questi 222 Watt ?


Bisogna vedere dove il flusso termico incontra maggior
resistenza:
1) convezione forzata aria-tubo: me*****-alta R
2) conduzione parete tubo: media o bassa R
3) convezione naturale tubo-acqua: me*****-alta R

Per 1) bisogna aumentare la turbolenza (+ velocità o diaframmi
o altri ostacoli interni, ma aumenta la perdita di pressione e
cala il flusso di aria) e aumentare la superficie di scambio
(alette, stesso effetto sulla pressione)
Per 2) (meno importante) bisogna usare materiali conduttivi e
spessori minimi
Per 3) come per 1) ma forse meno importante (acqua più
massiva), alette o tubo corrugato meglio del tubo lissio.


> Per il momento non considero una scelta pure notevolmente
> efficace :
> lo scambio diretto a mescolamento (come con gli aeratori
> negli acquari).
> Da un lato perché servirebbe un soffiante con almeno 2500 mm
> d'acqua di prevalenza
> (mentre i miei piccoli Vortice ne hanno meno di un millesimo
> !), secondariamente perché dovrei gestire i problemi di
> condensa (quindi usare soffianti "eccentriche" o esterne
> rispetto al circuito aria umida).
> Se poi usassi un diffusore poroso, sicuramente la prevalenza
> richiesta sarebbe ancora maggiore, quasi roba da compressore,
> ma a quel punto mi potrei scordare sia i flussi elevati (i
> compressori hanno portate piccole) sia il basso consumo di
> corrente rispetto alla potenza termica.
>
> Sto considerando tubi in PVC da gronda sigillati a silicone
> da 8 cm, oppure un fascio di tubi di PCV corrugato da
> c*****ine, di diametri boh e in numero mah, per arrivare a una
> superficie totale di contatto = chissàh.
>
> Dott.Ing. vari, una mano pls :\
>
> P.S. non ho considerato tubi in rame o alluminio, perché ho
> la sensazione (non so se giusta) che tanto la conduttività
> interna dell'aria calda sarebbe bassissima rispetto a quella
> della parete (in particolare per tubi che non fossero dei
> capillari). Il discorso dell'alto potere isolante dell'aria
> mi inquieta assai. In particolare perché non avrebbe un
> flusso correttamente direzionato (ossia CONTRO la parete di
> scambio), ma un flusso parallelo.
> In qualche modo servirebbe almeno inserire qualcosa per
> creare turbolenze, magari anche un percorso tortuoso di suo.


Vedi sopra.

Ho trovato nel mio libro di Trasmissione del calore la seguente
relazione:

Fig. 8-2 Numero di Nusselt in funzione del numero di Reynolds
per aria che fluisce in un tubo

Per Re < ~ 2000 -> Nu ~ Re ^ 0,3 con Nu= 5 per Re=2000
Per Re > ~ 5000 -> Nu ~ Re ^ 0,8 con Nu=20 per Re=5000

Re:= V * D * ro / mu
Nu:= h * D / k

(aria viscosità mu ~ 17E-6 ÷ 22E-6 N s / m²)

Dai dati calcoli Re, dalla formula empirica trovi Nu, da Nu
calcoli h, con h calcoli la potenza trasmessa
q= h * A * DT


Facile, no? :-)


--
E-S °¿°
Ho plonkato tutti quelli che postano da Google Groups!
Qui è Usenet, non è il Web!
Soviet_Mario 13 Ott 2017 18:35
Il 13/10/2017 16:14, ADPUF ha scritto:
> Soviet_Mario 16:57, giovedì 12 ottobre 2017:
>
>> Consulenza e controllo calcoli.

approfitterò della disponibilità ...
CUT

>
>
> Ma occorre anche la conducibilità termica
> k ~ 0,02 ÷ 0,027 kcal / h m °C
> In unità SI vedi tu...

ecco, questo occorrerà (insieme a altro *) nella parte che
ho volontariamente inglobato nella "black-box" assumendo a
priori che l'aria avrebbe assunto, in regime stazionario, un
certo salto termico dato (ho ipotizzato 10°).

In realtà questo salto termico, che deriva dall'efficienza
di scambio, è in effetti la vera parte da calcolare, e
sicuramente dipende dalla conducibilità.
Forse, in regime laminare puro, visto che il flusso è
TANGENZIALE in prevalenza, dipende quasi solo da quella.
Ma questo flusso tangenziale in realtà è male : per avere un
buon scambio, il flusso dovrebbe incidere ortogonalmente
alla parete di scambio (cosa geometricamente irrealizzabile,
perché avrò acqua da riscaldare ESTERNA e flusso d'aria
tiepida DENTRO il tubo.
Forse il meglio possibile (e in tal caso non basterà la sola
conducibilità .... la conosco come "gamma", è la medesima
però, vero ?, perché il flusso sarà in prevalenza CONVETTIVO
e non più solo conduttivo) sarebbe alzare la turbolenza
grazie alle curve, e magari introdurre inserti a elica, per
impartire moti centrifughi.

>
>
>> modellizzazione flusso termico di uno scambiatore
>> "indefinito" aria/acqua.
>>
>> Volume Aria spostato al secondo : 0,018055556 mc/s
>>
>> Qui chiaramente non ho considerato nessuna caduta di
>> pressione, il ché è molto male a causa della modestissima
>> prevalenza di questo ventilatore. In un ipotetico circuito
>> reale sicuramente il flusso sarebbe minore, ma non so
>> calcolare ciò con aria.
>
>
> Dipende anche da
> - rugosità del tubo
> - curve, strozzature ecc.
>
> Ci vogliono tabelle o grafici empirici...
>
> Io ho uno:
> Fig. 8-8 Coefficiente di attrito in funzione del numero di
> Reynolds per moto laminare e turbolento in tubi di diversa
> scabrezza
>
> (Re:= V * D * ro / mu)
>
> Laminare (Re<2000): f= 64 / Re
>
> Turbolento: dipende...
> - tubi molto ruvidi (scabrezza epsilon/D 0,05) f ~ 0,07
> costante con Re
> - tubi lisci f scende con Re, da ~ 0,05 per Re ~ 5000 a 0,01
> per Re ~ 3E6
>
> oppure f ~ 0,184 * Re^-0,2
>
> viene fuori un
> h~ 0,023 * V^0,8 * D^-0,2 * k * (mu / ro)^-0,8
>
> (h: vedi sotto)
>
> semplice eh? :-)

eh, come no !
Ogni volta che vago per le pagine di Wiki e saltano fuori i
numeri di tizio, caio e sempronio, e le relative equazioni
con esponenti bizzarri, mi si drizzano i pochi capelli.

>

> perdita di pressione su un tratto lungo L:
> Dp= f * L * ro * V^2 / 2D
>
>
>> Massa Aria spostato al secondo : 0,022118056 kg/s
>> Salto termico assunto 10°C
>>
>> Questo è uno dei "postulati" arbitrari del modello, e non so
>> se realistico o meno, né con quale tipologia e
>> dimensionamento di scambiatore si potrebbe ottenere (o
>> ottenere di meglio).
>> Boh, mi è sembrato un salto termico abbastanza modesto
>> (tipo immettere aria a 40° ed "uscirla" a 30°).
>> Ma bisogna vedere, non ho in nessun modo tentato di
>> dimensionare né superfici totali di contatto, né diametri
>> tubi o alettature.
>>
>> Q (in 1 secondo) = m·Cp·DT ==> 0,022118056 kg · 1,0050
>> kJ/(kg·°K) * 10 °K = 0,222286458 kJ
>> W = Q/Dt = Q / 1 s = 0,022118056 kJ / 1 s = 0,222286458 kW
>>
>> quindi 222 Watt potenza trasferita (consumandone 18 col
>> ventilatore).
>>

CUT

>
>
> Bisogna vedere dove il flusso termico incontra maggior
> resistenza:
> 1) convezione forzata aria-tubo: me*****-alta R
> 2) conduzione parete tubo: media o bassa R
> 3) convezione naturale tubo-acqua: me*****-alta R

allora io avrei un tubo (come minimo a U, magari varie U in
parallelo, oppure spirali se riesco a farne) percorso da
aria tiepida soffiata, che entra ed esce in una grossa vasca
cilindrica d'acqua da scaldare.
Di forzato c'è il flusso aria, ma purtroppo la direzione
dell'aria è parallela alla parete, e credo che scambi il
peggio possibile.
Il movimento dell'acqua esterna, invece sarà convettivo puro
(e molto lento presumo, vista la piccolezza dello scambio e
i gradienti modesti di temperatura). Penserei che cmq la
giacitura delle serpentine o altro dovrebbe non ostacolare
la convezione.
A naso (ho pochissimo naso in queste cose) ho idea che
l'anello debole rimanga cmq lo scambio lato ARIA / PARETE.

In quale scenario ricado secondo te ?
Imho è la 1).

>
> Per 1) bisogna aumentare la turbolenza (+ velocità o diaframmi
> o altri ostacoli interni, ma aumenta la perdita di pressione e
> cala il flusso di aria)

ecco, ma 'mfatti ... però non so stimare se convenga (e
come, e quanto) oppure sia peggio.

> e aumentare la superficie di scambio

unico punto su cui non avevo dubbi ...

> (alette, stesso effetto sulla pressione)

perché intendi alette INTERNE, vero ? ******* ... tutti i
giorni troviamo in giro tubi alettati internamente, vero ? :)
MA esterne non so, credo non servirebbero, ammesso (e da
verificare) che il collo di bottiglia non è lato acqua.

> Per 2) (meno importante) bisogna usare materiali conduttivi e
> spessori minimi

anche secondo me non è il collo di bottiglia

> Per 3) come per 1) ma forse meno importante (acqua più
> massiva),

esatto anche io avevo considerato la sproporzione di massa
(e anche la conduttività molto migliore dell'acqua rispetto
all'aria, pur non essendo granché in assoluto).

Ma imho la 1) è un vero dramma.
Ripensavo al caso del teleriscaldamento : in cui un vapore
secco viene inviato in un tubone (vabbè, coibentato certo) a
vari km di distanza, con dissipazione tollerabile.
Se il gas scambiasse bene in un flusso tangenziale, il
vapore condenserebbe dopo un certo tratto e scalderebbe il
tubo a livelli inaccettabili

> alette o tubo corrugato meglio del tubo lissio.
>
>
>> Per il momento non considero una scelta pure notevolmente
>> efficace :
>> lo scambio diretto a mescolamento (come con gli aeratori
>> negli acquari).
>> Da un lato perché servirebbe un soffiante con almeno 2500 mm
>> d'acqua di prevalenza
>> (mentre i miei piccoli Vortice ne hanno meno di un millesimo
>> !), secondariamente perché dovrei gestire i problemi di
>> condensa (quindi usare soffianti "eccentriche" o esterne
>> rispetto al circuito aria umida).
>> Se poi usassi un diffusore poroso, sicuramente la prevalenza
>> richiesta sarebbe ancora maggiore, quasi roba da compressore,
>> ma a quel punto mi potrei scordare sia i flussi elevati (i
>> compressori hanno portate piccole) sia il basso consumo di
>> corrente rispetto alla potenza termica.
>>
>> Sto considerando tubi in PVC da gronda sigillati a silicone
>> da 8 cm, oppure un fascio di tubi di PCV corrugato da
>> c*****ine, di diametri boh e in numero mah, per arrivare a una
>> superficie totale di contatto = chissàh.
>>
>> Dott.Ing. vari, una mano pls :\
>>
>> P.S. non ho considerato tubi in rame o alluminio, perché ho
>> la sensazione (non so se giusta) che tanto la conduttività
>> interna dell'aria calda sarebbe bassissima rispetto a quella
>> della parete (in particolare per tubi che non fossero dei
>> capillari). Il discorso dell'alto potere isolante dell'aria
>> mi inquieta assai. In particolare perché non avrebbe un
>> flusso correttamente direzionato (ossia CONTRO la parete di
>> scambio), ma un flusso parallelo.
>> In qualche modo servirebbe almeno inserire qualcosa per
>> creare turbolenze, magari anche un percorso tortuoso di suo.
>
>
> Vedi sopra.
>
> Ho trovato nel mio libro di Trasmissione del calore la seguente
> relazione:
>
> Fig. 8-2 Numero di Nusselt in funzione del numero di Reynolds
> per aria che fluisce in un tubo
>
> Per Re < ~ 2000 -> Nu ~ Re ^ 0,3 con Nu= 5 per Re=2000
> Per Re > ~ 5000 -> Nu ~ Re ^ 0,8 con Nu=20 per Re=5000
>
> Re:= V * D * ro / mu
> Nu:= h * D / k
>
> (aria viscosità mu ~ 17E-6 ÷ 22E-6 N s / m²)
>
> Dai dati calcoli Re, dalla formula empirica trovi Nu, da Nu
> calcoli h, con h calcoli la potenza trasmessa
> q= h * A * DT
>
>
> Facile, no? :-)

:\
rinuncio. Avevo già trovato dispense varie in rete, ma sono
oltre la mia capacità di orientarmici.

Che trucchi penseresti per migliorare il punto 1) agendo
dentro il tubo ? Tubi alettati internamente non ne ho mai
visti, tantomeno con raccorderia adatta.

>
>


--
1) Resistere, resistere, resistere.
2) Se tutti pagano le tasse, le tasse le pagano tutti
Soviet_Mario - (aka Gatto_Vizzato)
ADPUF 14 Ott 2017 19:50
Soviet_Mario 18:35, venerdì 13 ottobre 2017:
> Il 13/10/2017 16:14, ADPUF ha scritto:
>>
>> Ma occorre anche la conducibilità termica
>> k ~ 0,02 ÷ 0,027 kcal / h m °C
>> In unità SI vedi tu...
>
> ecco, questo occorrerà (insieme a altro *) nella parte che
> ho volontariamente inglobato nella "black-box" assumendo a
> priori che l'aria avrebbe assunto, in regime stazionario, un
> certo salto termico dato (ho ipotizzato 10°).
>
> In realtà questo salto termico, che deriva dall'efficienza
> di scambio, è in effetti la vera parte da calcolare, e
> sicuramente dipende dalla conducibilità.
> Forse, in regime laminare puro, visto che il flusso è
> TANGENZIALE in prevalenza, dipende quasi solo da quella.
> Ma questo flusso tangenziale in realtà è male : per avere un
> buon scambio, il flusso dovrebbe incidere ortogonalmente
> alla parete di scambio (cosa geometricamente irrealizzabile,
> perché avrò acqua da riscaldare ESTERNA e flusso d'aria
> tiepida DENTRO il tubo.
> Forse il meglio possibile (e in tal caso non basterà la sola
> conducibilità .... la conosco come "gamma", è la medesima
> però, vero ?, perché il flusso sarà in prevalenza CONVETTIVO
> e non più solo conduttivo) sarebbe alzare la turbolenza
> grazie alle curve, e magari introdurre inserti a elica, per
> impartire moti centrifughi.


Il flusso di calore è sempre opposto al gradiente di
temperatura, solo che nel flusso laminare (e anche nello
straterello laminare adiacente alla parete) è dovuto alla
conduzione "trasversale" all'asse del tubo, mentre nel flusso
turbolento è dovuto al *mescolamento* di fluido
caldo "periferico" con fluido freddo "centrale".

Nota che uno straterello laminare c'è sempre, anche nel flusso
turbolento.


>>> modellizzazione flusso termico di uno scambiatore
>>> "indefinito" aria/acqua.
>>>
>>> Volume Aria spostato al secondo : 0,018055556 mc/s
>>>
>>> Qui chiaramente non ho considerato nessuna caduta di
>>> pressione, il ché è molto male a causa della modestissima
>>> prevalenza di questo ventilatore. In un ipotetico circuito
>>> reale sicuramente il flusso sarebbe minore, ma non so
>>> calcolare ciò con aria.
>>
>>
>> Dipende anche da
>> - rugosità del tubo
>> - curve, strozzature ecc.
>>
>> Ci vogliono tabelle o grafici empirici...
>>
>> Io ho uno:
>> Fig. 8-8 Coefficiente di attrito in funzione del numero di
>> Reynolds per moto laminare e turbolento in tubi di diversa
>> scabrezza
>>
>> (Re:= V * D * ro / mu)
>>
>> Laminare (Re<2000): f= 64 / Re
>>
>> Turbolento: dipende...
>> - tubi molto ruvidi (scabrezza epsilon/D 0,05) f ~ 0,07
>> costante con Re
>> - tubi lisci f scende con Re, da ~ 0,05 per Re ~ 5000 a 0,01
>> per Re ~ 3E6
>>
>> oppure f ~ 0,184 * Re^-0,2
>>
>> viene fuori un
>> h~ 0,023 * V^0,8 * D^-0,2 * k * (mu / ro)^-0,8
>>
>> (h: vedi sotto)
>>
>> semplice eh? :-)
>
> eh, come no !
> Ogni volta che vago per le pagine di Wiki e saltano fuori i
> numeri di tizio, caio e sempronio, e le relative equazioni
> con esponenti bizzarri, mi si drizzano i pochi capelli.


Beh, proviamo a mettere qualche numero.

D= 10 cm = 0,1 m
A= 300 cm²= 0,03 m²
V= Q/A= 0,018/0,03 = 0,6 m/s
Re= 0,6 * 0,1 * 1,2 / 2E-5 ~ 3600
2000 < 3600 < 5000
Uhm, Reynolds dice "zona di transizione lam-turb"...

Se aumento il diametro cala V col 1/D²... diventa laminare...
meglio diminuire il diametro, ma non troppo che aumenta
l'attrito...

Comunque viene un Nusselt circa 10.
attrito boh, metto f ~ 0,05


>> perdita di pressione su un tratto lungo L:
>> Dp= f * L * ro * V^2 / 2D


Dp ~ 0,05 * 1 m * 1,2 * 0,36 / 0,2 ~ 0,11 Pa ???

Perdita molto piccola su un metro di tubo... boh.

In sostanza non c'è da preoccuparsi delle perdite con un tubo
così grosso. Meglio più piccolo e più lungo.

Vediamo, col diametro 5 cm = 1/2 del precedente:
D= 5 cm = 0,05 m
A= 75 cm²= 0,0075 m²
V= Q/A= 0,018/0,0075 = 2,4 m/s
Re= 2,4 * 0,05 * 1,2 / 2E-5 ~ 7200 doppio
(Re quindi è inverso a D a pari portata)
Siamo in zona turbolenta
Nu~25
f~ dipende dalla rugosità... niente da preoccuparsi... con lo
stesso di prima la caduta di pressione è
Dp: adesso V quadruplicata/D dimezzato = 8x ~ 1 Pa/m
(caduta di pressione inversa al *cubo* del diametro, a pari
portata)


>>> Massa Aria spostato al secondo : 0,022118056 kg/s
>>> Salto termico assunto 10°C
>>>
>>> Questo è uno dei "postulati" arbitrari del modello, e non
>>> so se realistico o meno, né con quale tipologia e
>>> dimensionamento di scambiatore si potrebbe ottenere (o
>>> ottenere di meglio).
>>> Boh, mi è sembrato un salto termico abbastanza modesto
>>> (tipo immettere aria a 40° ed "uscirla" a 30°).
>>> Ma bisogna vedere, non ho in nessun modo tentato di
>>> dimensionare né superfici totali di contatto, né diametri
>>> tubi o alettature.
>>>
>>> Q (in 1 secondo) = m·Cp·DT ==> 0,022118056 kg · 1,0050
>>> kJ/(kg·°K) * 10 °K = 0,222286458 kJ
>>> W = Q/Dt = Q / 1 s = 0,022118056 kJ / 1 s = 0,222286458 kW
>>>
>>> quindi 222 Watt potenza trasferita (consumandone 18 col
>>> ventilatore).


Calcolo con quel Nusselt ~ 10

Nu = hD/k per cui
h~ 10 * 0,02 / 0,1 ~ 2 kcal/h/m²

pochino...

Superficie di scambio per 1 m di tubo ~ 0,3 m²

Q= h * A * DT ~ 2 * 0,3 * 10 ~ 6 kcal/h

così poco?

eh, è aria... e su un solo metro di tubone da 10 cm


Altra formula:
h ~ 0,023 V^0,8 D^-0,2 k (mu/ro)^-0,8
h ~ 0,023 0,6^0,8 0,1^-0,2 0,02 (2E-5/1,2)^-0,8
h ~ 0,023 * 0,66 * 1,59 * 0,02 * [calcoli vari]
h ~ 0,5E-3 * 6600 ~ 3,2 kcal/h/m²/°C

Comparabile col 2 trovato prima...


>> Bisogna vedere dove il flusso termico incontra maggior
>> resistenza:
>> 1) convezione forzata aria-tubo: me*****-alta R
>> 2) conduzione parete tubo: media o bassa R
>> 3) convezione naturale tubo-acqua: me*****-alta R
>
> allora io avrei un tubo (come minimo a U, magari varie U in
> parallelo, oppure spirali se riesco a farne) percorso da
> aria tiepida soffiata, che entra ed esce in una grossa vasca
> cilindrica d'acqua da scaldare.
> Di forzato c'è il flusso aria, ma purtroppo la direzione
> dell'aria è parallela alla parete, e credo che scambi il
> peggio possibile.
> Il movimento dell'acqua esterna, invece sarà convettivo puro
> (e molto lento presumo, vista la piccolezza dello scambio e
> i gradienti modesti di temperatura). Penserei che cmq la
> giacitura delle serpentine o altro dovrebbe non ostacolare
> la convezione.
> A naso (ho pochissimo naso in queste cose) ho idea che
> l'anello debole rimanga cmq lo scambio lato ARIA / PARETE.
>
> In quale scenario ricado secondo te ?
> Imho è la 1).


Sì.
Il numero che mi viene è proprio basso, schifosamente basso.

Mi è venuta un'altra idea, vedi dopo.


>> Per 1) bisogna aumentare la turbolenza (+ velocità o
>> diaframmi o altri ostacoli interni, ma aumenta la perdita di
>> pressione e cala il flusso di aria)
>
> ecco, ma 'mfatti ... però non so stimare se convenga (e
> come, e quanto) oppure sia peggio.
>
>> e aumentare la superficie di scambio
>
> unico punto su cui non avevo dubbi ...
>
>> (alette, stesso effetto sulla pressione)
>
> perché intendi alette INTERNE, vero ? ******* ... tutti i
> giorni troviamo in giro tubi alettati internamente, vero ? :)


Beh, fatteli fare da un artigiano su richiesta, possibilmente
in argento.
:-)


> MA esterne non so, credo non servirebbero, ammesso (e da
> verificare) che il collo di bottiglia non è lato acqua.


Ci vorrebbe un tubo corrugato *longitudinalmente* ... o
elicoidalmente con passo lungo...

Metterci dentro una spirale di qualcosa?


>> Per 2) (meno importante) bisogna usare materiali conduttivi
>> e spessori minimi
>
> anche secondo me non è il collo di bottiglia
>
>> Per 3) come per 1) ma forse meno importante (acqua più
>> massiva),
>
> esatto anche io avevo considerato la sproporzione di massa
> (e anche la conduttività molto migliore dell'acqua rispetto
> all'aria, pur non essendo granché in assoluto).
>
> Ma imho la 1) è un vero dramma.
> Ripensavo al caso del teleriscaldamento : in cui un vapore
> secco viene inviato in un tubone (vabbè, coibentato certo) a
> vari km di distanza, con dissipazione tollerabile.
> Se il gas scambiasse bene in un flusso tangenziale, il
> vapore condenserebbe dopo un certo tratto e scalderebbe il
> tubo a livelli inaccettabili


Ma dipende dalla velocità dentro al tubo: più corre più scambia
(quasi linearmente: ~ V^0,8)


>> alette o tubo corrugato meglio del tubo lissio.
>>
>>
>>> Per il momento non considero una scelta pure notevolmente
>>> efficace :
>>> lo scambio diretto a mescolamento (come con gli aeratori
>>> negli acquari).
>>> Da un lato perché servirebbe un soffiante con almeno 2500
>>> mm d'acqua di prevalenza
>>> (mentre i miei piccoli Vortice ne hanno meno di un
>>> millesimo !), secondariamente perché dovrei gestire i
>>> problemi di condensa (quindi usare soffianti "eccentriche"
>>> o esterne rispetto al circuito aria umida).
>>> Se poi usassi un diffusore poroso, sicuramente la
>>> prevalenza richiesta sarebbe ancora maggiore, quasi roba da
>>> compressore, ma a quel punto mi potrei scordare sia i
>>> flussi elevati (i compressori hanno portate piccole) sia il
>>> basso consumo di corrente rispetto alla potenza termica.


Vedi dopo.


>>> Sto considerando tubi in PVC da gronda sigillati a silicone
>>> da 8 cm, oppure un fascio di tubi di PCV corrugato da
>>> c*****ine, di diametri boh e in numero mah, per arrivare a
>>> una superficie totale di contatto = chissàh.


A occhio, tanti tubi sottili sono meglio di pochi grossi, fino
a un certo punto.
Il problema di ottimizzazione è arduo... potrebbe esserci un
max, ma dove?


>>> Dott.Ing. vari, una mano pls :\


Ah, io non sono né dott. né ing.... ma nemmeno io lavoro
gratis... :-)
Un progetto vero e proprio richiede competenze che non ho.


>>> P.S. non ho considerato tubi in rame o alluminio, perché ho
>>> la sensazione (non so se giusta) che tanto la conduttività
>>> interna dell'aria calda sarebbe bassissima rispetto a
>>> quella della parete (in particolare per tubi che non
>>> fossero dei capillari). Il discorso dell'alto potere
>>> isolante dell'aria mi inquieta assai. In particolare perché
>>> non avrebbe un flusso correttamente direzionato (ossia
>>> CONTRO la parete di scambio), ma un flusso parallelo.
>>> In qualche modo servirebbe almeno inserire qualcosa per
>>> creare turbolenze, magari anche un percorso tortuoso di
>>> suo.


Ho già scritto sopra.


>> Ho trovato nel mio libro di Trasmissione del calore la
>> seguente relazione:
>>
>> Fig. 8-2 Numero di Nusselt in funzione del numero di
>> Reynolds per aria che fluisce in un tubo
>>
>> Per Re < ~ 2000 -> Nu ~ Re ^ 0,3 con Nu= 5 per Re=2000
>> Per Re > ~ 5000 -> Nu ~ Re ^ 0,8 con Nu=20 per Re=5000
>>
>> Re:= V * D * ro / mu
>> Nu:= h * D / k
>>
>> (aria viscosità mu ~ 17E-6 ÷ 22E-6 N s / m²)
>>
>> Dai dati calcoli Re, dalla formula empirica trovi Nu, da Nu
>> calcoli h, con h calcoli la potenza trasmessa
>> q= h * A * DT
>>
>>
>> Facile, no? :-)
>
> :\
> rinuncio. Avevo già trovato dispense varie in rete, ma sono
> oltre la mia capacità di orientarmici.


Il calcolino l'ho fatto sopra e viene un valore miserabile...
:-(


> Che trucchi penseresti per migliorare il punto 1) agendo
> dentro il tubo ? Tubi alettati internamente non ne ho mai
> visti, tantomeno con raccorderia adatta.


Beh, l'unica alternativa è far girare l'acqua *dentro* al tubo
e l'aria *fuori* , no?

÷÷÷÷÷÷÷÷÷÷
Mi è venuta un'altra idea.

Se l'umidità dell'aria in uscita *NON* è un problema, si può
fare come nelle torri di raffreddamento delle centrali:
un tubo verticale dove immettere aria calda sotto e far
gocciolare acqua fredda dall'alto.

Si potrebbero mettere dei diaframmi sforacchiati per far
gocciolare, una specie di torre di distillazione.

Ciò aumenterebbe la superficie di scambio aria-acqua senza
nemmeno un materiale interme*****.

Occorre:
- un tubo verticale
- diaframmi a piastra forata o a griglia di fili (materiale non
deperibile e possibilmente idrofilo)
- una o due pompe per far girare l'acqua (una sopra l'altra
sotto)

L'aria che esce tende a essere satura di umidità alla
temperatura dell'acqua fredda entrante.
Potrebbe anche condensare l'umidità che aveva all'ingresso, se
era tanta.

Boh?

Se si tratta di aria viziata da espellere, si potrebbe provare.
(ariaccia a 20°C, acqua da scaldare a <10°C)

Qualcosa si recupera (di più se è una discoteca con gente che
beve e si agita...)

Ma solo per divertimento, il costo di materiale e manodopera in
quanto tempo lo ammorti?


×××××××××
*****arola, è venuto un messaggio lunghissimo, mi sa che mi
autoplonko...


--
E-S °¿°
Ho plonkato tutti quelli che postano da Google Groups!
Qui è Usenet, non è il Web!

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