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Titolo: aiuto su calcolo dimensionamento serpentina

Vorrei chiedere consiglio a qualcuno che si intenda di 
calcoli termotecnici, relativamente a una serpentina 
scambiatrice.
 
DATI
1) la serpentina, in tubo di rame nudo al cui interno 
circola acqua sanitaria, è posta nella parte apicale di un 
serbatoio a stratificazione
 
2) la massa termica della parte attiva del serbatoio si può 
assimilare ad "infinita" (trattasi di oltre 5000 Litri, 
relativi ad un prelievo diciamo di 100 Litri, tale che T 
serbatoio top circa costante)
 
3) il serbatoio nella parte apicale è a 50 °C
 
4) l'acqua sanitaria in adduzione (fredda) si trova a +3 °C
 
5) la stessa dovrebbe uscire dalla serpentina intiepidita a 
40° C
 
------------------
 
A) Design della serpentina.
Sono indeciso tra una spirale piana, tipo archimede, da 
mettere a galla appesa poco sotto il pelo del liquido. Lo 
spazio a disposizione è una sezione cilindrica di diametro 
utile 180 cm. Se non bastasse, servirebbero allora più 
spirali parallele in strati, stile sandwich. Nel caso, 
pensavo di lasciare tra un tubo e l'altro uno spazio libero 
di due o tre diametri del tubo
Oppure (come si vede di solito) pattern elicoidale di raggio 
costante, con sviluppo in verticale
 
B) pensavo di usare tubo di rame scelto tra i diametri 
esterni (14 o 15 o 16).
 
------------------------------
 
Quanto dovrebbe essere lunga grossomodo la serpentina, 
assumendo un diametro tubo da precisare, in modo che riesca 
ad avere la performance data ?
 
A titolo d'esempio, usando il raggio medio logaritmico,
un Tubo rame 15 mm est. 13 mm int. lungo 50 metri avrebbe 
una superficie equivalente di appena poco meno di 2,2 mq.
 
Certo che già così mi crea una bella perdita di carico ... 
poi magari finisce che aprendo il rubinetto a manetta, esce 
appena un filo ...
 
I problemi con tubi grossi sono almeno 2
Il primo è che siccome l'acqua conduce male laddove non può 
dare convezione, e DENTRO il tubo non la da molto, se il 
moto è laminare, e male anche se è turbolento forse, per cui 
un tubo stretto ha più acqua vicina alla parete, un diametro 
grosso ha molta acqua che non scambia.
Inoltre da piegare il tubo da 20 o 25 è un incubo. E' 
durissimo, poi si strozza malamente alla minima disattenzione.
 
Cmq, sempre a titolo d'esempio, con l'elicoide verticale, 
ammettendo di fare anse da 500 cm, il cui diametro sarebbe 
di 160, servirebbero 10 piani per fare poco più di 50 metri. 
Se ogni ansa staccasse la sottostante di 3 diametri tubo, 
l'intera spirale sarebbe alta 60 cm, cioè occuperebbe il 30 
% superiore del serbatoio (accettabile imho)
 
Spero in qualche consiglio
Ciao
 
 
 
 
-- 
1) Resistere, resistere, resistere.
2) Se tutti pagano le tasse, le tasse le pagano tutti
Soviet_Mario - (aka Gatto_Vizzato)
 
 
---
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
scusate ... sono un coglione, ho indicato il salto termico 
desiderato, ma non ho indicato la portata, la velocità del 
"consumo" !!
Allora diciamo che potrebbe bastare 1 L in 4 secondi, cioè, 
15 L / min.
 
Per inciso, la potenza termica minima trasferita la 
serpentina, a fronte del salto termico molto modesto nel 
tratto finale (acqua in uscita richiesta a soli 10 °C sotto 
la T della parte calda del serbatoio), sarebbe di
 
W = m*c*DT/1 sec =
= 0,25 kg * 1 KCal/Kg°C * (40-3)°C * 4,186 KJ/KCal = circa
42 Kw.
 
Ah, la convezione è naturale nel serbatoio, perché è la meno 
perturbativa della stratificazione.
 
 
Sto però anche valutando, in particolare se dovessi 
riscontrare che la stratificazione NEL CARICO è troppo 
efficiente, di mettere una piccola elica miscelatrice per 
raffreddare il TOP (sarà di plastica HDPE, quindi piuttosto 
scarso alle T medie, e non dovrei mai avvicinare i 60° imho) 
e chiamare in soccorso l'acqua più fresca della parte bassa. 
Però durante il PRELIEVO, penserei di lasciare attiva solo 
la convezione naturale ... oppure mettere qualche mini elica 
che crei correnti solo longitudinali ? Chiaramente in 
liquido agitato, lo scambiatore eleva il rendimento, a patto 
che l'agitazione non rimescoli troppo le cose richiamando 
acqua fresca da sotto, se no sono cavoli. Boh


 equivalente di appena poco meno di 2,2 mq.
 
2,2 mq di rame spesso un millimetro scambiano forse un po' troppo ...
 
Facciamo 2 conti ... semi approssimati.
 
Conducibilità del rame=390
Consideriamo il delta T medio pari a 50-(40+3)/2=28,5 K
 
Potenza termica scambiata = 390*28,5*2,2/0,001=24.453.000 W (un po' 
altino direi)
 
Per innalzare la temperatura di un Kg d'acqua di 37 K servono:
 
37*4186 J= 154.882
 
Quindi la portata di acqua sanitaria a 40 °C è pari a:
 
24.453.000/154.882=157,8814839684 Kg/s = 9472 Litri/minuto
 
Direi un po troppo per uso sanitario :-)
 
 
Controlla i calcoli ... li ho fatti di fretta :-)
 
Ciao Ezio
 
 
 

 Facciamo 2 conti ... semi approssimati.
 
Le approssimazioni sono:
 
1) non si tiene conto della resistenza termica relativa allo scambio 
acqua rame dovuta ai moti convettivi ma si considera la superficie 
esterna del tubo di rame a 50 °C.
 
2) Si usa come delta T la temperatura media dell'acqua nel tubo  ma 
presumibilmente l'andamento della temperatura non ha crescita lineare.
 
(salvo errori di calcolo) è solo una verifica sul dimensionamento di 
tentativo che evidentemente è fuori misura ... come ordine di grandezza.
 

 Controlla i calcoli ... li ho fatti di fretta :-)
 
 
Mi paiono giusti, ma le premesse meno.
 
P.s. in questi calcoli di larghissima massima è inutile usare
dieci decimali...
 
 
-- 
AIOE ³¿³  

> Spero in qualche consiglio
 
 
Il problema è complesso perché c'è
 
1) convezione naturale esterna (tabelle?)
 
Ce l'hai il Numero di Grashof ?
ro^2 * g * beta * deltaT * L^3 / mu^2
 
 
2) conduzione nel rame (facile ma poco influente)
 
3) convezione forzata interna (tabelle?)
 
Qui invece occorre il Numero di Nusselt, che dipende dal Numero
di Reynolds...
 
 
Insomma è un casino.
 
 
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
Tieni anche conto che quando non c'è flusso nel tubo l'acqua
dentro si scalda a 50°C... 
e quella ti esce dal rubinetto... 
UOMO AVVISATO...
 
Io metterei un serbatoio secondario termostatato a 40° C dove
far passare il tubo dell'acqua sanitaria..
 
Ma io sono un complicatore di cose semplici...
 
Forse dovresti azionare le eliche di rimescolamento nel
serbatoio grande quando supera 40°C, e un dissipatore di calore
se ugualmente supera i 44°C, e una luce lampeggiante rossa se
supera i 48°C, se ti fidi del sistema che funziona sempre
bene...
 
 
-- 
AIOE ³¿³  

 (Non so come fare le giunzioni)
 
A fiamma (di butano) con stagno
 
Dan
 
 
-- 
"Everybody should pay taxes with a smile"
I tried, but they want money.

 dieci decimali...
 
I calcoli li ho fatti con un foglio elettronico e il risultato è stato 
copiato ed incollato.
 


 
 



 
 
-- 


 bene...
 
il mio problema non è tanto quello dell'acqua sanitaria 
troppo calda, posso miscelare, ma del serbatoio troppo 
caldo. A 70° credo che l'HDPE proprio rammollisca e 
collassi. Quindi me ne starei sui 50 max 55. Poi uno magari 
prova a salire un grado alla volta per periodi lunghi e vede 
come si comporta


 risultato è stato copiato ed incollato.
 
anche io copincollo tal quale, di solito :)


 3) un fluido ha una T di 1200 ° e non di 50-55 °C (scusa se è poco)
 
Francamente non ho capito a cosa ti riferisci.
Io pensavo agli scambiatori acqua/acqua per la produzione istantanea di 
acqua sanitaria delle caldaiette murali.
Son di piccole dimensioni.
 
La differenza rispetto al tuo caso è che la circolazione dell'acqua è 
sempre forzata mentre nel tuo caso  è causata solo dalla convezione.
 
Guarda questo scambiatore (non ho approfondito ma non dovrebbe essere 
per acqua sanitaria ma per separare il circuito di riscaldamento dal 
circuito caldaia).
Ma il discorso non cambia.
 
http://www.ifcorporate.it/prodotto.php?cat=69&id=293
 
 
Per 35Kw la lunghezza è circa 40 cm. e il diametro di 12,5 cm.
 
Il tuo caso comunque è praticamente quello del 'puffer con serpentino 
sanitario'.
Fai una ricerca con google (copiare non fa mai male :-) ).
 
http://tinyurl.com/nwyxdry
 
 
 
Se vuoi posso mettere le mani su un paio vecchie caldaiette 'da buttare' 
(aggratis :-) ) che presumibilmente contengono lo scambiatore sanitario.
Una pompetta di circolazione ti risolverebbe un mare di problemi :-)
 

 problemi :-)



 
 


 acqua/fumi ... E quelli elettrici (boiler), non sono instant..
 
Nelle caldaie a gas con produzione istantanea di acqua calda sanitaria, 
di solito, in corrispondenza della camera di combustione circola solo 
l'acqua del circuito radiatori.
Se richiedi acqua calda sanitaria (aprendo un rubinetto) l'acqua del 
circuito di riscaldamento viene deviata totalmente ad un piccolo 
scambiatore dove avviene uno scambio di calore acqua/acqua.
 
http://www.efficaceclima.it/caldaie_beretta_condensazione/meteo_green_box/07_big.jpg
 
 
Per questo dicevo che potresti cannibalizzare gli scambiatori di vecchie 
caldaie da rottamare ed utilizzi le pompe (sempre della caldaia) per 
fare un ricircolo forzato.
 
Poichè hai bassa la temperatura di mandata puoi provare con due in cascata.
 
Resta il problema di avviare la pompa alla apertura del rubinetto ...
 
Un pressostato?
 
 
 
 

 della caldaia) per fare un ricircolo forzato.
 
 
Ho disfatto una vecchia caldaia Vaillant qualche mese fa, c'è
proprio lo scambiatore per l'acqua sanitaria, è un
parallelepipedo 21x7x5 cm.
 
 
 


contrordine : l'erogazione di acqua calda deve essere 
UNINTERRUPTABLE, quindi decorrelata dall'elettricità.
Se esistono, proverò a cercare pompe "comoventi" 
meccanicamente azionate (ad es. con due giranti accoppiate, 
una motrice e una trascinata).
Non ho nemmeno idea di termini di ricerca adeguati, ma mi è 
venuta la curiosità !


 quindi decorrelata dall'elettricità.
 
E fare una specie di accumulo (invece di produzione istantanea)?
Inserisci, immerso nella parte alta del serbatoio a stratificazione, un 
altro serbatoio diciamo da 100 litri (o più se non ti bastano) per 
l'acqua sanitaria.
Questa a regime raggiunge la temperatura di 50 °C  (che non è ustionante 
tra l'altro).
Se non c'è richiesta di acqua sanitaria questa partecipa all'accumulo di 
calore come il resto dell'acqua.
 
 


ci ho pensato, ma senza arrivare a una sicurezza sul 
dimensionamento. Un accumulo fisso è necessariamente non 
flessibile. Allora il punto diventa : che se è piccolo, si 
ricarica (relativamente) in fretta tra una volta e l'altra. 
Se è grande magari non lascia a piedi nel singolo utilizzo, 
ma poi non è detto che ci metta un solo giorno a ricaricarsi 
bene. Non so. I casi che ho visto negli schemi, hanno 
accumuli "secondari" con ancora altre serpentine di carico.
 
boh ...


Saluti agli ingegneri. Ho scoperto solo oggi, dopo quasi 20 
anni di usenet che esiste un NG di ingegneria :_(
Solitamente domandavo in quello di fisica, ma mi cagano 
pochino per queste domande tecnico-pratiche, in effetti.
 
Vorrei chiedere consiglio a qualcuno che si intenda di 
calcoli termotecnici, fluidodinamica e scambi di calore, 
relativamente al dimensionamento di una serpentina scambiatrice.
 
 
DATI
 
1) la serpentina, in tubo di XXX (materiale e calibro da 
scegliere) al cui interno circola acqua sanitaria in 
pressione (acquedotto), è posta nella parte apicale di un 
serbatoio a stratificazione spontanea (senza artifici come 
camino distributore ... per cui forse non si stratifica 
nemmeno più di tanto)
 
2) la massa termica della parte attiva del serbatoio si può 
assimilare ad "infinita" (trattasi nel complesso di oltre 
5000 Litri di cui buona parte lavorerà, relativi ad un 
prelievo diciamo di 100 Litri, tale che T serbatoio top 
circa costante)
 
3) il serbatoio nella parte apicale è a 50 °C
 
4) l'acqua sanitaria in adduzione (fredda) si trova a +1 °C
 
5) la stessa dovrebbe uscire dalla serpentina intiepidita a 
41° C  (salto termico richiesto di 40° C)
 
------------------
 
dubbio A) Design della serpentina.
Sono indeciso tra una pila di spirali piane, tipo Archimede, 
parallele, sovrapposte in strati stile sandwich da mettere a 
galla appesa poco sotto il pelo del liquido. Lo spazio a 
disposizione è una sezione cilindrica di diametro utile 180 
cm. Nel caso, pensavo di lasciare tra un tubo e l'altro uno 
spazio libero di due o tre diametri del tubo
Oppure (come si vede di solito) al pattern elicoidale di 
raggio costante, con sviluppo in verticale, ma varie spirali 
concentriche di raggio variabile.
Questo sbattendomi tanto e costruendo un castello tutore per 
il mantenimento forma.
O infine, costruire una gabbia circoscritta di rete zincata 
e plastificata di diametro 170 (il serbatoio è 185 interno), 
che occupi il terzo superiore dell'accumulo (circa 70 cm sui 
210 cm totali),  e lasciare espandere spontaneamete la 
matassa come comprata per la sua elasticità. Grossomodo è un 
design ibrido che richiama più le elicoidi concentriche, ma 
con alcuni accavallamenti come il filo nei rocchetti che 
ricorda le spirali piane, ovviamente raggi random, 
spaziature verticali random, eventualmente ritoccate a mano 
dove noto anse troppo accostate. Questo, da fare, è molto 
più facile.
 
-------------------
 
B) pensavo di usare tubo di PE PN16, spessore medio, con 
diametro 32 esterno, in rotolo di 100 m, oppure diametro 25. 
Lo so, il PE è isolante, ma ho un vago sospetto che in 
convezione naturale esterna, e forzata ma sfavorevole 
interna, non è sono certo che sia la conduzione della parete 
l'anello debole. O cmq non troppo debole.
 
 
Il flusso richiesto per il dimensionamento (o meglio la 
verifica, e se non tornano i conti, per il ridimensionamento 
della LUNGHEZZA e/o del calibro), indicativamente potrebbe 
essere di
15 litri ACS al minuto (0,25 L/s), sempre col Delta_T di 40° 
in aumento (e con uno scarto di appena una decina di gradi 
dell'uscita calda rispetto alla T interna apicale dell'accumulo
 
------------------------------
 
Quanto dovrebbe essere lunga grossomodo la serpentina, 
assumendo uno dei due diametri tubo da 25 o 32, in modo che 
riesca ad avere la performance data ? Potrebbe bastare la 
matassa da 100 m ? E se non riesce, conviene usare ulteriore 
lunghezza, o magari tubo più largo, o mettere in parallelo 
due serpentine ? Serie o parallelo mi lasciano inalterata la 
capacità dell'accumulo intermedio, ma in regime stazionario 
comportano portate 2:1 nei tubi rispett. e quindi regime di 
flusso magari molto diverso e convezione interna di 
efficacia diversa (esternamente, immagino non cambi un cippolix)
 
 
Provo a spiegare una fonte di perplessità sul diametro tubo.
Allora, un tubo più largo a pari lunghezza da maggiore 
superficie, e questo è bene a prescindere. Sulla faccia 
esterna, sicuramente la convezione naturale nel serbatoio 
migliora.
Ma io non so se sia realmente l'anello debole.
Potrebbe invece essere la resistenza convettiva intrinseca 
della parete (il PE è parecchio isolante).
Potrebbe essere la resistenza convettiva interna ...
All'interno la circolazione è forzata (ma variabile, secondo 
quanto apro il rubinetto). Però : 1) il flusso parallelo 
alla parete è il caso peggiore di flusso. Inoltre, a parità 
di flusso, un tubo stretto magari lavora in regime 
turbolento, più efficace, uno largo magari in regime più 
vicino alla laminarità, peggiorando la convezione interna.
 
C'è anche un altro aspetto : il tubo largo, a pari 
lunghezza, comincia ad essere un pool di accumulo. Nella 
matassa di tubo da 32 credo ci stiano circa 45 L. Con un uso 
non costante, probabilmente erogherebbe acqua a T molto 
vicina a quella dell'accumulo, avendo avuto tempo per 
mettersi in equilibrio. Un regime di erogazione a singhiozzo 
non è poi così inaccettabile, se ciascun prelievo è di botte 
di 40 L a volta, e se tra un prelievo e l'altro magari 
bastano 5-10' per equilibrare la matassa
 
 
Poi il tubo stretto magari mi crea una perdita di carico ... 
e magari finisce che aprendo il rubinetto a manetta, esce 
appena un filo ... Il diametro 32 è lo stesso 
dell'acquedotto, ergo non influirebbe con 100 m in più. Il 
25 sarebbe una "relativa" strozzatura.
 
 
 
Spero in qualche consiglio
Ciao
 
 
 
 


Il 22/07/2015 12.14, Soviet_Mario ha scritto:
 
ops ... scusate, avevo dimenticato di modificare l'indirizzo :)
OLD !
