Trasmissione del calore nei letti fluidizzati con liquidi

Abstract

Lo studio dei fenomeni relativi all’idrodinamica ed allo scambio termico nei letti fluidizzati è di grande interesse nell’Energetica industriale. Infatti è necessaria la loro comprensione per proporre modelli affidabili ai fini della progettazione e della simulazione del funzionamento delle tante apparecchiature nelle quali essi si manifestano. In molti processi industriali i contatti e le interazioni tra fluidi, siano essi liquidi o gas, e particolati solidi consentono una grande varietà di utili applicazioni. Si tratta del campo dell’ingegneria della fluidizzazione, che ha suscitato un ampio interesse fin dalla realizzazione, durante la Seconda Guerra Mondiale, dei reattori a letto fluido per il cracking catalitico del petrolio. L’ingegneria della fluidizzazione copre un ampio campo di impieghi e tra questi: - applicazioni di letti fluidi con gas per la combustione, la gassificazione di combustibili e residui solidi, il riscaldamento e l’essiccazione di particelle, applicazioni dell’industria chimica, il cracking catalitico e termico del petrolio, etc.; - applicazioni di letti fluidi con liquidi nell’industria chimica e in apparecchiature di scambio termico come nel caso dei sistemi di recupero per il calore di scarto, dell’uso diretto dei fluidi geotermici, etc. I letti fluidizzati di interesse tecnico sono di due tipi: - letti fluidizzati con liquidi - letti fluidizzati con aeriformi. Al primo tipo si riferiscono le applicazioni nelle quali il fluido di sostegno è un liquido in seno al quale si ha la presenza di un particolato solido, spesso eterogeneo, che può essere inerte chimicamente o può reagire col fluido di sostegno o con alcuni componenti del particolato medesimo. Al secondo tipo si riferiscono le applicazioni nelle quali il fluido di sostegno è invece un aeriforme in seno al quale si ha la presenza di particolato solido, anche qui spesso eterogeneo, che può essere inerte o può reagire nel modo anzi detto. Le applicazioni più complesse riguardano l’industria chimica e non sono oggetto del presente Rapporto; esso è invece dedicato alle applicazioni più proprie dell’ingegneria meccanica che riguardano lo scambio termico tra il letto fluido ed una superficie di scambio a contatto col letto. Si tratta di tematiche che riguardano la progettazione e la verifica di scambiatori di calore a letto fluido nei quali interessa lo scambio termico tra un fluido sporco (che rappresenta il fluido di sostegno) ed una superficie di scambio a letto fluido (come nelle applicazioni della geotermia), la surgelazione di legumi e di verdure, l’essiccazione di cereali in grani, etc., la combustione a letto fluido di carbone o di residui della lavorazione del legno ed anche di rifiuti difficili da bruciare. Nella letteratura degli ultimi due decenni si ha un rilevante numero di memorie pubblicate da riviste che riportano i risultati di varie ricerche sperimentali sia sui fenomeni relativi all’idrodinamica che sui fenomeni relativi allo scambio termico. Esistono pure alcuni libri sui predetti argomenti. I modelli proposti in letteratura, sia per la previsione del comportamento idrodinamico che dei coefficienti di scambio termico, sono complessi. Ne segue che le metodologie di correlazione dei dati sperimentali dello scambio termico tra il letto fluidizzato ed una superficie immersa in esso sono altrettanto complesse ed in genere differiscono per le varie casistiche affrontate; non è quindi facile estenderne l’applicazione a casi differenti da quelli per cui sono state ricavate. La situazione è poi ancora più incerta quando si vogliono affrontare gli aspetti dello scambio termico relativi all’irraggiamento, dai quali non si può prescindere quando nel letto si raggiungono e si superano temperature di 600 °C. I modelli proposti in letteratura si possono essenzialmente distinguere in due categorie: - modelli in cui si ha un approccio dei problemi partendo da analisi dettagliate del compor