Progettare un sistema a fluido termico: sia semplice che complesso

La gestione del flusso di calore in un sistema a fluido termico è fondamentale per fornire un controllo preciso della temperatura per i fluidi di processo e per proteggere le apparecchiature coinvolte.

In un sistema con un riscaldatore acceso, un flusso inadeguato potrebbe causare il danneggiamento delle serpentine di riscaldamento all'interno del riscaldatore o un rapido degrado del fluido termico. Per evitare danni al sistema, questo deve essere progettato per mantenere un flusso costante attraverso il riscaldatore durante il funzionamento. Alcuni di questi progetti sono illustrati nei diagrammi allegati.

Un fluido di processo potrebbe essere qualsiasi tipo di fluido che richiede calore nel processo di produzione, inclusi composti chimici, asfalto liquido, polimeri liquidi, cera, fanghi di scarto, olio da cucina, petrolio greggio, GNL e così via.

Nel riscaldamento di processo, è possibile riscaldare il fluido di processo direttamente o indirettamente con un riscaldatore a combustione o un riscaldatore elettrico. Il riscaldamento indiretto utilizza un fluido termico (chiamato anche fluido termovettore) come olio, olio sintetico e acqua glicole. Il fluido termico viene riscaldato dal riscaldatore che poi circola attraverso serpentine di riscaldamento, uno scambiatore o un recipiente incamiciato per riscaldare il fluido di processo. Il metodo indiretto è un sistema a circuito chiuso, il che significa che il fluido termico in uscita dal riscaldatore ritornerà e circolerà continuamente attraverso il circuito.

Ci sono diversi fattori da considerare quando si progetta un sistema di riscaldamento per garantire un flusso e un trasferimento di calore adeguati. Con i recipienti contenenti i fluidi di processo denominati "utenti", i seguenti sono alcuni dei fattori da considerare.

Innanzitutto, quanti utenti avranno bisogno di calore? È possibile avere un unico riscaldatore in grado di fornire calore a più utenti. Il riscaldatore dovrà essere dimensionato per tenere conto della perdita di calore tra tutti gli utenti e della portata in base alla progettazione del sistema.

Successivamente, gli utenti funzioneranno contemporaneamente? Se gli utenti funzionano contemporaneamente, il riscaldatore dovrà essere più grande, mentre se si utilizza un solo utente alla volta, il riscaldatore può essere dimensionato per accogliere l'utente che necessita del servizio più numeroso.

Inoltre, gli utenti necessitano della stessa temperatura del fluido termico? È possibile progettare un sistema per soddisfare gli utenti che necessitano tutti della stessa temperatura del fluido termico o di più temperature contemporaneamente.

Qualcuno dei processi deve raffreddarsi? Alcuni fluidi di processo potrebbero dover raffreddarsi dopo essere stati riscaldati. Questo può essere fatto naturalmente nel tempo o più velocemente con uno scambiatore aggiuntivo.

In che tempi devono avvenire i processi? Alcuni utenti potrebbero aver bisogno di una fonte di calore costante mentre altri potrebbero aver bisogno di calore solo per un periodo di tempo relativamente breve. E alcuni utenti potrebbero aver bisogno di essere riscaldati rapidamente. Quanto più veloce è il riscaldamento, tanto più grande è il riscaldatore.

I circuiti del fluido termico sono controllati utilizzando una serie di valvole (tipicamente valvole modulanti), elementi di temperatura e sensori di pressione per controllare il flusso e mantenere temperature precise. Le valvole sono generalmente automatizzate e funzionano di concerto con i controlli del riscaldatore per garantire che vengano raggiunte le temperature adeguate per ciascun utente. Quando gli utenti raggiungono la temperatura desiderata, vengono utilizzate tubazioni e valvole di bypass per garantire che il riscaldatore abbia un flusso adeguato che lo attraversa, mantenendo allo stesso tempo la temperatura degli utenti.

Quando un riscaldatore viene utilizzato per riscaldare più utenti, gli utenti saranno in serie o in parallelo. Quando è in serie, viene utilizzata un'unica pompa per mantenere il flusso su tutti gli utenti e sul riscaldatore. Il flusso, misurato in gpm (galloni al minuto), è lo stesso gpm per tutti gli utenti e per il riscaldatore. In parallelo vengono utilizzate una pompa singola o più pompe per distribuire il flusso su ciascuna linea di utenza. A volte viene utilizzata una pompa di circolazione aggiuntiva per mantenere il flusso nel riscaldatore. Il vantaggio di un progetto parallelo è che il fluido termico si avvicina a ciascun utente alla stessa temperatura, rispetto a un progetto in serie vi è una perdita di calore attraverso ciascun utente e gli utenti a valle avranno una temperatura di approccio inferiore. È possibile avere una combinazione di sistemi in parallelo e in serie.

Sistemi a linea singola

I sistemi a fluido termico a linea singola sono il tipo di sistema più elementare, ma possono comunque essere abbastanza versatili. In genere, per spostare il fluido termovettore attraverso l'intero sistema viene utilizzata un'unica pompa di circolazione. Questo tipo di sistema può avere un singolo utente o più utenti. Un singolo utente può avere una singola zona di riscaldamento (Figura 1) o più zone (Figura 2). Con più zone è possibile riscaldare diversi volumi di prodotto senza riscaldare l'intero serbatoio.