Visualizza wikitesto di Condensatore (scambiatore di calore)

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Un '''condensatore''' è un particolare [[scambiatore di calore]] che ha lo scopo di [[condensazione|condensare]] una [[sostanza chimica]] o una [[miscela (chimica)|miscela]], ovvero portarla da [[aeriforme]] allo [[liquido|stato liquido]], in genere per raffreddamento grazie all'attraversamento di un [[fluido refrigerante]], che ha il compito di sottrarre [[calore latente]] alla sostanza che si vuole condensare.

I condensatori possono avere delle superfici di scambio, molto variabili, e trovano impiego in molti campi: ambito domestico (ad esempio nel [[congelatore]] e nel [[condizionatore d'aria]]), in ambito industriale (ad esempio nella [[distillazione frazionata]] e nella [[termoregolazione industriale]]) e in [[laboratorio]].

==Impiego industriale==
Le [[apparecchiature chimiche]] usate possono essere un condensatore:<ref name=nonsolo>[http://www.nonsoloaria.com/cndca.htm Condensazione<!-- Titolo generato automaticamente -->]</ref>
*convenzionale
*refrigerativo
*criogenico

===Condensatori convenzionali===
[[File:Surface condenser (Steam and the Steam Engine, Evers).jpg|thumb|upright=1.8|Condensatore a superficie (del tipo a fascio tubiero e mantello) di un motore a vapore del XIX secolo.]]
[[File:Surface Condenser.png|thumb|upright=1.8|Schema di funzionamento di un condensatore a superficie]]
[[File:Waterworks Museum (85472)bw.jpg|thumb|Un condensatore di vapore in mostra al Waterworks Museum: una ex stazione di pompaggio trasformata in museo nel villaggio di [[Chestnut Hill (Massachusetts)|Chestnut Hill]], Massachusetts (Stati Uniti).]]
Nei '''condensatori convenzionali''' vengono utilizzati in genere come fluidi refrigeranti [[acqua]] o [[aria]], a causa della loro facile reperibilità e del loro basso costo.<ref name=conv>[http://www.nonsoloaria.com/cndcnv.htm Condensatori convenzionali<!-- Titolo generato automaticamente -->]</ref>

Le apparecchiature impiegate possono essere condensatori :<ref name=conv/>
* a superficie (in genere uno [[scambiatore a fascio tubiero e mantello]]);
* a miscela (appartengono i condensatori evaporativi, e le [[torri di raffreddamento]])

Con questo tipo di condensatori si possono raggiungere in genere temperature fino a {{M|4|ul=°C}}.<ref name=conv/>

====Dimensionamento per la generazione elettrica====
In una [[centrale termoelettrica]] che generano corrente elettrica tramite alternatore e [[turbina a vapore]] si adottano condensatori a superficie dimensionati in base al [[rendimento termodinamico]] η, alla [[potenza complessa]] P sviluppata, alla velocità del vapore in ingresso v<sub>s</sub> e la sua decelerazione all'uscita Δv<sub>s</sub>, alla temperatura T<sub>wi</sub> e [[velocità]] v<sub>w</sub> di ingresso dell'acqua di raffreddamento e al massimo salto di temperatura permesso dall'impatto ambientale ΔT<sub>w</sub>, alla [[pressione di condensazione]] p<sub>s</sub> raggiungibile e il titolo del vapore in ingresso x<sub>s</sub> caratteristiche del [[ciclo Hirn]] impiegato, al diametro interno d e spessore Δd dei tubi dello scambiatore e allo spessore medio dello strato di condensa che li ricopre Δd<sub>s</sub>, alla loro distanza a, angolazione reciproca θ, e fattore di ingombro w.
I parametri di interesse per un condensatore a fascio tubiero e mantello sono il numero dei tubi:
<math>N=\frac {4 \dot V_w}{\pi d^2 v_w}=\frac {4 Q_o}{\pi \rho_w v_w d^2 v_w c_w \Delta T_w}=\frac {4 (1-\eta) P}{\pi \eta \rho_w v_w d^2 v_w c_w \Delta T_w}</math><ref name="per">par. 9.4 del Negri di Montenegro, Bianchi, Peretto, Sistemi energetici, [[Pitagora editore]], Bologna, 2009, ISBN 8837117612</ref>

la lunghezza dello scambiatore a fascio tubiero e mantello (di poco inferiore a quello dell'intero condensatore):
<math>L=\frac {S}{\pi (d + \Delta d) N}=\frac {r \frac {Q}{\Delta T_w} \ln \frac {T(p_s)-T_{wi}}{T(p_s)-T_{wi}-\Delta T_w}}{\pi (d + \Delta d) \frac {4 Q_o}{\pi \rho_w v_w d^2 v_w c_w \Delta T_w}} = \frac {r \rho_w v_w c_w d^2}{4 (d + \Delta d)} \ln \frac {T(p_s)-T_{wi}}{T(p_s)-T_{wi}-\Delta T_w}</math><ref name=per/>,

dove <math>r=g_{w \, (v_w, T_w + \frac {\Delta T_w}{2})}^{-1} + \frac {\Delta d}{2 k} + \frac {\Delta d_s}{k_s}</math><ref name=per/>,
è la resistenza specifica termica dei tubi;

il suo diametro (di poco inferiore a quello dell'intero condensatore):
<math>D=2 \sqrt{\frac{s}{\pi w}}= 2 a \sqrt{\frac{N sin{\theta}}{\pi w}} = \frac {4 a}{\pi d} \sqrt{\frac{(1-\eta) P sin{\theta}}{w \eta \rho_w v_w c_w \Delta T_w}}</math><ref name=per/>,

i diametri della tubazione del vapore in ingresso: 
<math>D_s= 2 \sqrt{\frac{\dot m_s}{\pi \rho_{(p_s)} v_s}}=2 \sqrt{\frac{(1-\eta) P}{\pi \eta \rho_{(p_s)} v_s \Delta h^{cond}_{(p_s)}}}</math><ref name=per/>,

quello dell'uscita della condensa:
<math>d_s=2 \sqrt{\frac{(1-\eta) P}{\pi \eta \rho_w (v_s - \Delta v_s) \Delta h^{cond}_{(p_s)}}}</math><ref name=per/>,

e quello sia di ingresso che di uscita dell'acqua di raffreddamento (che non subisce significative variazioni di densità né [[perdite di carico]]):

<math>D_w=2 \sqrt{\frac{(1-\eta) P}{\pi \eta \rho_w v_w c_w \Delta T_w}}</math>.<ref name=per/>

====Esempio====
Con i dati:
η=39.3%, P={{M|110|ul=MV}}[[Ampere|A]], v<sub>s</sub>={{M|280|ul=m/s}}, Δv<sub>s</sub>={{M|279|ul=m/s}}, T<sub>wi</sub>={{M|16|ul=°C}}, v<sub>w</sub>={{M|2|ul=m/s}}, ΔT<sub>w</sub>={{M|12|ul=°C}}, p<sub>s</sub>={{M|5|ul=kPa}}, x<sub>s</sub>=0.90, d={{M|20|ul=mm}}, Δd={{M|2|ul=mm}}, Δd<sub>s</sub>={{M|0.10|ul=mm}}, a={{M|35|ul=mm}}, θ={{TA|π/3 [[radiante|rad]]}}, w=0.85:

:<math>g_{w \, (2 \frac m s, 16 C + \frac {12 C}{2})}</math>={{Val|7.5|u=kW/m<sup>2</sup>K}}
:<math>r= (\frac {1}{7500}+ \frac {0.002}{2 \cdot 60} + \frac {0.0001}{2 \cdot 6.3}) \frac {m^2 K}{W}=</math>{{Val|0.229|u=m<sup>2</sup>K/kW}}
:<math>N=\frac {4 (1-0.393) 110000000}{3.14 \cdot 0.393 \cdot 1000 \cdot 2 \cdot 0.02^2 \cdot 2 \cdot 4187 \cdot 12} = </math>5395
:<math>L= \frac {0.000229 \cdot 1000 \cdot 2 \cdot 4187 \cdot 0.020^2}{4 \cdot 0.022} \ln \frac {17}{5} m = </math> {{M|10.68|ul=m}}
:<math>D=\frac {4 \cdot 0.035}{3.14 \cdot 0.020} \sqrt{\frac{(1-0.393) 110000000 \frac {\sqrt {3}}{2}}{0.85 \cdot 0.393 \cdot 1000 \cdot 2 \cdot 4187 \cdot 12}} m = </math>{{M|2.92|ul=m}}
:<math>D_s= 2 \sqrt{\frac{(1-0.393) 110000000 }{3.14 \cdot 0.393 \cdot 1/26 \cdot 280 \cdot 2424000}} m =</math>{{M|3.03|ul=m}}

:<math>d_s=2 \sqrt{\frac{(1-0.393) 110000000 }{3.14 \cdot 0.393 \cdot 1000 \cdot 1 \cdot 2424000}} m =</math>{{M|0.315|ul=m}}

:<math>D_w=2 \sqrt{\frac{(1-0.393) 110000000 }{3.14 \cdot 0.393 \cdot 1000 \cdot 2 \cdot 4187 \cdot 12}} m =</math>{{M|1.47|ul=m}}

===Condensatori refrigerativi===
Questo tipo di condensatori fa uso di refrigeranti compressi, e possono arrivare a temperature prossime ai {{M|-60|ul=°C}}.<ref name= refri>[http://www.nonsoloaria.com/cndrfr.htm Condensatori refrigerativi<!-- Titolo generato automaticamente -->]</ref>

In questo caso vengono impiegati sempre scambiatori a superficie.<ref name= refri/>

===Condensatori criogenici===
Fanno impiego di gas liquefatti come [[azoto liquido]] o [[biossido di carbonio]]. Si possono raggiungere temperature prossime ai {{M|-160|ul=°C}}.<ref name=cryo>[http://www.nonsoloaria.com/cndcrg.htm Condensatori criogenici<!-- Titolo generato automaticamente -->]</ref>

==Impiego in laboratorio==
[[File:Dimroth kuehler.jpg|thumb|upright=0.5|Condensatore da laboratorio]]
Nell'uso di laboratorio, il condensatore è in genere di piccole dimensioni, e molto spesso è in vetro, materiale fragile ma estremamente resistente alla corrosione (con alcune eccezioni), mostrato in figura, dalla forma tipica.
Molto usato in laboratorio è il condensatore ''a ricadere'' in cui il condensato, in genere proveniente da un [[Pallone (recipiente)|pallone]] - ma anche da una colonna - ricade nel pallone stesso; configurazione spesso usata quando si vogliano estrarre incondensabili ad esempio mediante un [[eiettore]]. Il condensatore in figura è adatto a questo scopo, come si vede dal largo bocchello inferiore (scarico del condensato) e dal più piccolo superiore (estrazione incondensabili). I bocchelli laterali sono destinati ad ingresso ed uscita del liquido di raffreddamento.

== Condensatore barometrico ==
I condensatori barometrici sono [[apparecchiature chimiche]] usate per operazioni di [[Vuoto (fisica)|sottovuoto]], costituito da una camera in cui viene convogliata una [[Corrente materiale|corrente]] aeriforme e un getto di [[acqua]] (allo stato [[liquido]]). Il getto d'acqua viene spruzzato da un [[eiettore]], e acquista [[calore]] dalla corrente gassosa, che [[condensazione|condensa]].<ref>L'apparecchiatura funge quindi anche da "[[scambiatore di calore]] per contatto".</ref>

L'apparecchiatura viene installata ad almeno 10,4 metri dal suolo, per cui la miscela acqua-condensato che viene a formarsi viene poi inviata attraverso una tubazione verticale lunga almeno 10,4 metri (chiamata "gamba barometrica"), che ha lo scopo di creare una [[gradiente di pressione|differenza di pressione]] tra l'uscita della corrente dal basso della tubazione e l'ingresso della corrente gassosa.<ref>[http://www.cheresources.com/questions/heat_transfer_technology-376.html Technical Q & A Database<!-- Titolo generato automaticamente -->]</ref>

In questa maniera si riesce a creare una pressione minore di [[pressione atmosferica]] nell'apparecchiatura collegata a monte del condensatore barometrico (ad esempio un [[evaporatore]]), e la corrente in uscita dal condensatore barometrico può essere movimentata attraverso una [[pompa idraulica]].

I vapori non-condensabili sono spillati dall'alto del condensatore barometrico.

==Note==
<references/>

==Bibliografia==
*{{Cita pubblicazione|titolo=Chemical treatment of barometric condenser cooling water systems|autore1=W. Farr|autore2=K. Bolhofner|rivista=Journal of the American Oil Chemists' Society|volume=|numero=|editore=Springer|città=Berlin / Heidelberg|anno=1979|pp=6-7|lingua=en|ISSN=|doi=10.1007/BF02675515|accesso=19 giugno 2021|abstract=|urlarchivio= https://archive.is/20130411205352/http://link.springer.com/article/10.1007/BF02675515|dataarchivio=11 aprile 2013|urlmorto=sì}}
*Paul N. Cheremisinoff, Nicholas P. Cheremisinoff, ''[http://books.google.com/books?id=BacpJCsD0VYC&hl=it Process Engineering Data Book]'', CRC Press, 1995, p.&nbsp;138-142 ISBN 1-56676-224-3

==Voci correlate==
*[[Scambiatore di calore]]
*[[torre di raffreddamento]]
*[[Condensatore barometrico]]
*[[Vaso di Dewar]]
*[[Refrigerante di Liebig]]

==Altri progetti==
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