Progetto Caldaia ad acqua

picc

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Salve a tutti! All'università ci è stato chiesto di progettare una caldaia residenziale ad acqua in grado di erogare 30.000 kcal/h alla
residenza abitativa. La caldaia è alimentata a metano ed è costituita da:
(a) un focolaio alla base, in cui si insuffla aria mediante un ventilatore laterale (tiraggio
forzato) e metano dal medesimo lato (fiamma non pre-miscelata);
(b) un fascio tubiero in cui scorre all’interno l’acqua del sistema di riscaldamento ed
all’esterno procedono i prodotti della combustione verticalmente verso il camino;
(c) ed infine un camino per l’evacuazione dei fumi.
La prima parte richiede di reperire i dati tecnici e di valutare la geometria del fascio tubiero. A tal fine è necessario calcolare la portata di metano assumendo che la temperatura di fiamma sia circa quella adiabatica di fiamma, trascurando il contributo dell'irraggiamento.
Vi chiedo se esista delle normative per la progettazione delle caldaie, o se avete del materiale relativo all'argomento, sia per quanto riguarda il reperimento dei dati tecnici sia per la parte di progettazione vera e propria.
Scusate per la lunghezza del post e grazie in anticipo!
 

rctimelines

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È una normalissima caldaia a gas che viene nstallata in qualsiasi appartamento con riscaldamento autonomo. Potresti iniziare raccogliendo qualche scheda tecnica di prodotti commerciali (ce ne sono a decine) così trovi le normative e anche altre informazioni che possono servirti. Sicuramente ci saranno anche manuali con esplosi e viste interne da cui puoi ricavare altre informazioni.

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picc

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Scusami rctimelines potresti consigliarmi un produttore che fornisca schede tecniche dettagliate? Ho visto quelle della junkers ma non riesco a capire che tipo di modello corrisponde a quello del mio progetto.
 

rctimelines

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Scusami rctimelines potresti consigliarmi un produttore che fornisca schede tecniche dettagliate? Ho visto quelle della junkers ma non riesco a capire che tipo di modello corrisponde a quello del mio progetto.
Incominciamo bene !

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picc

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Incominciamo bene !

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Grazie mille della dritta, sei stato troppo gentile. Adesso inizio a leggere la scheda e cerco di calcolare i primi punti richiesti.
 

meccanicamg

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Per quanto riguarda l'impianto ti consiglio di consultare le schede della Caleffi, che in Italia è il migliore fabbricante di pezzi per impianti civili.

Ti allego una delle schede che potrebbero aiutarti a meglio comprendere il sistema.

Comunque di costruttori di caldaie ce ne sono un sacco e basta googolare per trovare i PDF con le schede tecniche....non è che il problema sta a monte e che stai facendo qualcosa che non hai seguito ai corsi universitari?
 

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picc

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Per quanto riguarda l'impianto ti consiglio di consultare le schede della Caleffi, che in Italia è il migliore fabbricante di pezzi per impianti civili.

Ti allego una delle schede che potrebbero aiutarti a meglio comprendere il sistema.

Comunque di costruttori di caldaie ce ne sono un sacco e basta googolare per trovare i PDF con le schede tecniche....non è che il problema sta a monte e che stai facendo qualcosa che non hai seguito ai corsi universitari?
Nono il corso di applicazioni di fisica tecnica lo sto seguendo ora a Torino. Però prima ero iscritto in un'altra università, e li abbiamo trattato più argomenti dal punto di vista teorico (1 e 2 principio, aria umida, ciclo di carnot, cicli ranking ecc.). Questa è la prima volta che mi trovo ad affrontare un problema di progettazione in ambito della meccanica calda, per questo ho un po' di incertezze su come procedere.
 

meccanicamg

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Quindi il corso di macchine e sistemi energetici del terzo anno non lo hai fatto? Solo fisica tecnica? Se è così capisco che non hai visto qualcosa di più realistico.
Però penso che a casa avrai una caldaia che ti fa acqua calda sanitaria e riscaldamento ....basterebbe vivere la quotidianità.
 

picc

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Quindi il corso di macchine e sistemi energetici del terzo anno non lo hai fatto? Solo fisica tecnica? Se è così capisco che non hai visto qualcosa di più realistico.
Però penso che a casa avrai una caldaia che ti fa acqua calda sanitaria e riscaldamento ....basterebbe vivere la quotidianità.
Macchine e sistemi energetici si l'ho seguito, ma lì ci occupavamo di turbine, compressori, motori a combustione ecc. In effetti quello che mi è mancato durante la triennale è la parte relativa al dimensionamento degli scambiatori di calore, visto che nel corso di termodinamica questi erano inseriti come componenti di un ciclo termodinamico, e quindi quello che c'era dentro ci interessava poco.
 

picc

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Sono riuscito a calcolare la portata di metano in ingresso a partire dal potere calorifico inferiore del metano. Ora il punto seguente è dimensionare il fascio tubiero, e qui avrei qualche dubbio: al fine di calcolare la superficie necessaria allo scambio termico è necessario conoscere la temperatura dei fumi che "escono" dal focolare. Il professore ci ha consigliato di prendere come temperatura di fiamma circa quella di temperatura di fiamma adiabatica, che dai calcoli è venuta circa 1800 K. Ora mi chiedo come è possibile una temperatura così elevata dei fumi, se il materiale con cui sono state fatte le caldaie è ghisa che a quella di temperatura sono sottoposti a forti stress. Quale temperatura dovrei considerare per i fumi che investono il fascio tubiero?
 

meccanicamg

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Dal mio punto di vista il fascio tubiero potrebbe essere quasi coinvolto direttamente dalla combustione, per aumentare lo scambio termico. Chiaramente si fa rimbalzare la fiamma per coinvolgere con la turbolenza dei fumi caldi più superficie possibile per poi andare allo scarico. Poi se si fanno due stadi si cerca di scaldare ulteriormente sprecando meno gas. Beh la temperatura di fiamma non è bassa di certo anche se dipende poi dalla miscelazione di ossigeno.
 

picc

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Anche io la penso come te. Cioè la parte in cui avviene la combustione è a diretto contatto con lo scambiatore (o comunque in prossimità di questo) e penso che sia realizzato in materiale ceramico, in modo da resistere alle alte temperature, mentre il resto del corpo è realizzato in ghisa o acciaio.
Per adesso abbiamo fatto le seguenti ipotesi:
Tingresso acqua 288 K
Tuscita acqua 358 K
Tfumi ingresso 1800 K
Tfumi uscita 373 K
Dopo aver calcolato la portata di metano , considerando un rendimento di combustione pari a 0,9 e conoscendo il potere calorifico del metano, il problema è dimensionare lo scambiatore di calore ( fascio tubiero).
Abbiamo valutato per prima cosa, in prima approssimazione, il valore dell'area di scambio termico, conoscendo la potenza termica utile, conoscendo la ∆T limite (valutata tramite la formula logaritmica) e avendo posto in prima battuta la resistenza termica convettiva pari a 30 W/m^2×K come suggerito dalle slides del professore. Ora però non sappiamo né questo procedimento sia giusto, né come andare avanti non sapendo assolutamente come si dimensionare una batteria alettata con relative dimensioni e passo.
 

picc

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Ragazzi qualcuno che conosce un altro forum che si occupa di progettazione d'impianti e componenti legati alla meccanica calda? Oppure possiede del materiale dettagliato sul dimensionamento di caldaie di tipo Tube and Shell?
 

paulpaul

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Ragazzi qualcuno che conosce un altro forum che si occupa di progettazione d'impianti e componenti legati alla meccanica calda? Oppure possiede del materiale dettagliato sul dimensionamento di caldaie di tipo Tube and Shell?
Prova a postare uno schemino di come pensavi di farla, poi vediamo se riusciamo a tirarci fuori qualcosa ?
A che livello hai studiato lo scambio termico? Ipotizzate dei coefficienti di convezione tipici da letteratura o li ricavate dalle caratteristiche del fluido e dalla geometria/condizioni di moto di questo?
 

picc

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Allora l'unico dato che ci è stato assegnato è la potenza che deve erogare la caldaia, pari a 30.000 kcal/h. la prima cosa che abbiamo fatto è stata quella di supporre dei dati relativi alle temperature dell'acqua e dei fumi in ingresso e in uscita:
TinH20= 323 K
ToutH2O= 363 K
Tinfumi= 2348 K (Temperatura adiabatica di fiamma)
Toutfumi = 573 K (temperatura dei fumi all'uscita dello Shell and Tube, e non in uscita dal camino)

Ipotizzando un rendimento di combustione pari a 0,9 e conoscendo il potere calorifico del metano, abbiamo calcolato la portata di combustibile necessario, essendo la prima richiesta del nostro progetto. Conoscendo la reazione di combustione, ipotizzata stechiometrica come indicato dalla traccia, abbiamo valutato la portata di aria necessaria, e dalla somma della portata di combustibile e della portata di aria abbiamo ottenuto la portata dei fumi.
Per valutare l'aria di scambio necessaria, al fine di dimensionare il nostro scambiatore, abbiamo utilizzato il metodo del delta T medio logaritmico, mentre abbiamo in seguito abbiamo utilizzato il metodo epsilon-NTU per verifica. Da quest'ultimo abbiamo ottenuto l'area necessaria per lo scambio termico.
Abbiamo quindi ipotizzato delle dimensioni dei tubi in cui scorre l'acqua e delle alette su di essi montati , in modo da valutare quanto deve essere lungo il nostro fascio tubiero.
Arrivati qui ci siamo fermati in quanto nella valutazione delle resistenze termiche, per verificare se in effetti le dimensioni dei tubi, il numero di tubi, il numero di alette, garantisce lo scambio termico richiesto, nella valutazione del coefficiente di scambio termico convettivo dovuto al moto dei fumi nello Shell and Tube abbiamo un numero di Reynold piccolo, e quindi flusso laminare, cosa che non dovrebbe essere cosi.
Scusami se non sono stato molto preciso, ma vado di corsa, stasera cerco di fornirti un quadro più dettagliato.
 

paulpaul

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Allora l'unico dato che ci è stato assegnato è la potenza che deve erogare la caldaia, pari a 30.000 kcal/h. la prima cosa che abbiamo fatto è stata quella di supporre dei dati relativi alle temperature dell'acqua e dei fumi in ingresso e in uscita:
TinH20= 323 K
ToutH2O= 363 K
Tinfumi= 2348 K (Temperatura adiabatica di fiamma)
Toutfumi = 573 K (temperatura dei fumi all'uscita dello Shell and Tube, e non in uscita dal camino)
Tanto per cominciare converto tutti in °C e kW...ci capiamo meglio ;)
Tin H2O = 50 °C
Tout H2O = 90 °C
Tad = 2075 °C
Tout, fumi = 300 °C
P = 35 kW
Potevano darvi almeno la temperatura di produzione dell'acqua (dato che stiamo parlando di produzione di acqua calda e non di vapore, mi pare): diciamo che sono temperature che ci possono stare, dipendentemente dal processo.
Normalmente la temperatura di combustione è molto inferiore, per via dell'eccesso d'aria, degli equilibri chimici e delle dispersioni. Ad ogni modo, prendiamola per buona (è un esercizio molto didattico mi pare). La temperatura adiabatica ce l'hai nel cuore della fiamma diciamo, in una zona non molto estesa.
Come mai una temperatura dei fumi così alta? Avrete un sacco di perdite al camino...io considererei anche 150 °C (supponiamo che la caldaia non sia a condensazione, e che questo limite sia compatibile con la non formazione di condense acide).

Ipotizzando un rendimento di combustione pari a 0,9 e conoscendo il potere calorifico del metano, abbiamo calcolato la portata di combustibile necessario, essendo la prima richiesta del nostro progetto. Conoscendo la reazione di combustione, ipotizzata stechiometrica come indicato dalla traccia, abbiamo valutato la portata di aria necessaria, e dalla somma della portata di combustibile e della portata di aria abbiamo ottenuto la portata dei fumi.
Dovreste riuscire a calcolarvi anche la portata d'acqua, con un semplice bilancio energetico: vi servirà subito dopo.

Per valutare l'aria di scambio necessaria, al fine di dimensionare il nostro scambiatore, abbiamo utilizzato il metodo del delta T medio logaritmico, mentre abbiamo in seguito abbiamo utilizzato il metodo epsilon-NTU per verifica. Da quest'ultimo abbiamo ottenuto l'area necessaria per lo scambio termico.
Come fate a determinare la superficie di scambio col metodo del deltaT medio logaritmico se non conoscete il coefficiente globale di scambio? L'avete ipotizzato? Da quanto chiedi successivamente mi sembra che tu debba calcolare i vari coefficienti convettivi, quindi che tu non lo conosca a priori.

Abbiamo quindi ipotizzato delle dimensioni dei tubi in cui scorre l'acqua e delle alette su di essi montati , in modo da valutare quanto deve essere lungo il nostro fascio tubiero.
Arrivati qui ci siamo fermati in quanto nella valutazione delle resistenze termiche, per verificare se in effetti le dimensioni dei tubi, il numero di tubi, il numero di alette, garantisce lo scambio termico richiesto, nella valutazione del coefficiente di scambio termico convettivo dovuto al moto dei fumi nello Shell and Tube abbiamo un numero di Reynold piccolo, e quindi flusso laminare, cosa che non dovrebbe essere cosi.
Scusami se non sono stato molto preciso, ma vado di corsa, stasera cerco di fornirti un quadro più dettagliato.
Come hai ipotizzato la dimensione dei tubi dell'acqua? Di solito conoscendo la portata (calcolata sopra) devi ipotizzare una dimensione dei tubi che ti tenga l'acqua ad una velocità di compromesso (di solito 1,5-2,5 m/s), e quindi vedi di quanti tubi hai bisogno. Quale geometria avete considerato? Puoi postare uno schemino? L'irraggiamento è contemplato come meccanismo di scambio?
 

picc

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@picc
Che fine ha fatto questa caldaia? :unsure:
Scusami paulpaul, ma sto cercando di terminare il progetto di costruzione di macchine il prima possibile, dato che per quello ho una scadenza. Appena finito con quello mi dedicherò di piu a quello anche se non se visto che in gruppo siamo in 10, non è facile organizzare il lavoro. Scusami ancora