Post on 04-Dec-2015
description
UNIVERSITTATEA AUREL VLAICU ARAD
FACULTATEA DE INGINERIE ALIMENTARA TURISM SI PROTECTIA
MEDIULUI
SPECIALIZAREA CONTROLUL SI EXPERTIZA PRODUSELOR
ALIMENTARE
SCHIMBĂTORUL DE CĂLDURĂ
" ŢEAVĂ ÎN ŢEAVĂ"
STUDENT: IVAN ADRIANA ELENA
CEPA AN III
2015
1
Cuprins
1.Schimbatoare de caldura
2.Încalzirea- racirea în industria alimentara
3.Schimbatorul de caldura " teava în teava"
3.1 Descrierea utilajului
3.2 Instalatie din industria vinului
4.Calcule
4.1 Bilant de materiale
4.2 Bilant termic
5.Bibliografie
2
1. Schimbatoare de caldura
Schimbatoarele de caldura repr 232f523c ezinta aparate care au drept scop
transferul de caldura de la un fluid la altul în procesul de încalzire, fierbere,
evaporare, condensare, racire sau în alte procese termice,în care sunt prezente doua
sau mai multe fluide cu temperaturi diferite.
Instalatiile tehnologice, aparatele de schimb de caldura ocupa o pozitie
particulara, ele putând functiona ca organe principale, când constituie parti
determinate ale unor procese tehnologice sau ale unor procese exclusiv termice, fie
ca organe secundare, introduse în instalatii din motive de economie de caldura sau
de substanta. Alaturi de sistemul de conducte si de pompe, schimbul de caldura
necesita echipamente termomecanice cele mai numeroase din industrie.
Realizarea instalatiilor tehnologice moderne nu poate fi conceputa fara
perfectionarea continua a proceselor si aparatelor de schimb de caldura.
Domeniile de utilizare de schimb de caldura sunt foarte variate, destinatiile
principale ale acestor aparate fiind urmatoarele:
- schimb complex de caldura dintre gazele de ardere si apa-aburul din
generatoarele de abur;
- transferul de caldura în cadrul proceselor de încalzire, racire,fierbere,
condensare sau alte procese speciale, practic din toate ramurile
industriale;
- prepararea apei calde si fierbinti în sistemele de termoficare;
3
- evacuarea în atmosfera prin turnuri de racire a caldurii rezidule
rezultate din procesele industriale;
- procesele complexe de recuperare a caldurii cu potential termic redus
pentru încalzire si scopuri tehnologice.
2. Încalzirea- racirea în industria alimentara
În cadrul proceselor tehnologice din industria alimentara, transmiterea
caldurii este necesara pentru a modifica temperatura materiilor prime sau auxiliare
în vederea încalzirii sau racirii. În decursul operatiei de încalzire sau racire,
temperatura agentului termic poate fi variabila daca acesta nu îsi schimba starea de
agregare (gaze calde care se racesc, apa rece care se încalzeste) sau poate ramâne
constanta daca îsi schimba starea de agregare (abur care condenseaza, apa care
fierbe). Agentii termici uzuali folositi în industria alimentara sunt apa calda, aburul
saturant, apa rece si apa racita.
Apa calda. Pâna la temperatura de 80°C, încalzirea cu apa calda se realizeaza
la presiunea atmosferica. În intervalul de temperatura (80...375)°C se utilizeaza apa
sub presiune, denumita impropriu apa supraîncalzita.
Aburul saturant. Este cel mai uzual purtator de caldura din cauza avantajelor
pe care le prezinta:
- caldura latenta masica de condensare mare pentru temperaturile
curente de încalzire;
4
- valori mari ale coeficientului partial de transfer de caldura;
- temperatura purtatorului de caldura se mentine constanta;
- este neinflamabil si netoxic;
- cost suficient de redus pentru a nu se impune în toate cazurile
recuperarea si recircularea condensatului.
Aceste avantaje sunt pentru încalziri ce nu depasesc 150...200°C.
Apa rece. Folosirea apei ca agent de racire se realizeaza în circuit
deschis pentru debite mici si în circuit închis pentru debite de apa de racire mari .
Apa racita. Este un agent de rpcire secundar utilizat pentru temperaturi de
racire mai mari de 4°C. Se utilizeaza în special la schimbatoarele de caldura cu
placi.
Uluiuri minerale. Sunt folosite ca agent termic pentru temperaturi pâna la
300°C. Dezavantajele utilizarii uleiurilor: coeficient de transfer termic mic si
vâscozitate mare.
Operatiile de încalzire si racire sunt utilizate în industria
alimentara pentru:
- a crea conditii pentru efectuerea unor transformari de catre microorganisme
(ex. fermentarea mustului);
- a favoriza realizarea unor operatii tehnologice din schema bloc de obtinere a
produsului respectiv (ex. difuzia zaharului din sfecla de zahar);
5
- a trata termic unele materiiprime si auxiliare din procesul respectiv (ex. apa
necesara difuziei în industria zaharului trebuie sa aiba 45°C).
Schimbatoarele de caldura pot fi componente ale unor instalatii complexe sau
pot functiona independent.
3. Schimbatorul de caldura " teava în teava"
3.1 Descrierea utilajului
Schimbatoarele de caldura "teava în teava" sunt incluse într-o grupa separata,
cu toate ca ele în realitate nu sunt decât schimbatoare de caldura simple, tubulare,
în care fasciculul de tevi se compune dintr-o singura teava. Alegând diametrul tevii
exterioare, se poate usor obtine la aceste schimbatoare de caldura o suprafata mica
a sectiunii transversale pentrul spatiul dintre tevi si se poate ajunge la viteze înalte
si la coeficienti mari de transfer de ambele parti ale tevii interioare. Prin aceasta
6
consumul de agenti termici poate fi foarte mic. Schimbatoarele de caldura "teava în
teava" sunt cu contracurent si se pot utiliza nu numai ca racitoare si condensatoare,
ci si ca încalzitoare. În cazul când consumul de agenti termici este mare,
schimbatoarele de caldura "teava în teava"se compun din câteva sectii racordate
paralel. Vitezele înalte de circulatie ale agentilor termici împiedica depunerile de
precipitate.
Daca conditiile exploatarii nu impun curatirea spatiului din teava si dintre
tevi, schimbatoarele de caldura se fac nedemontabile (fig.1). Constructia este foarte
simpla si consumul de metal, în comparatie cu alte constructii de acelasi tip, este
minim.
Fig.1.
Daca este necesara curatirea spatiului dintre tevi si pentru ca mantaua sa fie
confectionata din otel carbon, constructia schimbatoarelor de caldura din metale
scumpe (de exemplu oteluri austenitice) se executa demontabila (fig.2). Ţevile se
recomanda a fi confectionate din : aluminiu,otel, nichel, cupru, tungsten si metale
refractare. Se fac cercetari pentru gasirea celor mai eficienti agenti termici si
7
materiale pentru confectionarea tevilor astfel încât randamentul procesului de
transfer termic sa fie cât mai ridicat.
Fig.2.
Pentru micsorarea numarului de îmbinari, fiecare tronson al schimbatorului de
caldura este format din elemente în forma de U.Flansele capetelor tevilor interioare
la fiecare tronson trebuie sa fie si ele demontabile. Etansarea la flanse se asigura cu
o garnitura, care în acelas timp serveste si la compensarea dilatarilor termice.
Suprafata de schimb de caldura în aceste schimbatoare de caldura poate fi
formata nu numai din tevi netede, ci si din tevi cu nervuri (fig.3). Ca si în alte
constructii, tevile cu nervuri se folosesc pentru egalizarea conditiilor schimbului de
caldura de ambele parti ale suprafetei de schimb de caldura. Lichidul mai vâscos,
la care coeficientul de transfer este mai mic , circula pe partea cu nervuri, adica în
spatiul dintre tevi.
8
Fig.3. Tipuri de tevi cu nervuri:
a- cu nervuri longitudinale
b- cu nervuri elicoidale
c- cu nervuri radiale.
În fig.4. este reprezentat un schimbator de caldura "teava în teava" cu o
suprafata de schimb de caldura prevazuta cu nervuri si care se foloseste în industria
petroliera. Pentru marirea compactitatii în locul îmbinarii cu flanse se folosesc
îmbinarile cu nipluri.
Fig.4.
9
Schimbatoarele de caldura "teava în teava" sunt foarte potrivite pentru
construirea încalzitoarelor din fonta silicioasa, ceramica, sticla si alte materiale de
acelas gen. Camasa schimbatoarelor de caldura are un astfel de diametru, încât prin
ea sa treaca cu un joc minim capatul îngrosat al tevii.
Jocurile dintre tevi sunt etansate de ambele parti cu garnituri, la care si bucsa
fixa si bucsa de strângere se executa din doua jumatati. Ambele jumatati ale
fiecarei bucse fixe se sprijina pe patru suruburi introduse în bosajele mantalei, dupa
ce teava a fost introdusa în manta. Flansele care leaga coturile de tevi au o
constructie obisnuita (fig.5).
Fig.5. Îmbinarea tevii din fonta silicioasa cu camasa de otel
Dezavantajele schimbatoarelor de caldura "teava în teava":
1) consum mare de metal la 1m2 de suprafata de schimb de caldura, în
comparatie cu alte tipuri de schimbatoare de caldura;
2) dimensiuni mari de gabarit.
10
Aceste dezavantaje sunt compensate din plin de productivitate înalta pe
fiecare metru de suprafata si prin micsorarea suprafetei necesare de schimb de
caldura.
Schimbatoarele de caldura tip "teava în teava" sunt utilizabile mai ales în
cazul unor consumuri mici si medii de agenti termici si constituie un tip modern de
utilaj.
Schimbatoarele de caldura "teava în teava" sunt construite din doua tevi
coaxiale prin care circula cele doua fluide. Elementele sunt asamblate în serie prin
legaturi fixe (sudura) sau demontabile, daca conditiile de exploatare impun sau nu
curatirea spatiului din interiorul tevilor. Au o constructie relativ simpla si permit
variatia marimii suprafetei de transfer prin adaugarea si eliminarea de elemente
(fig.6).
Fig.6. Schema functionala a schimbatorului de caldura tip "teava în teava" : a-
schimbator de caldura tubular; b- schimbator de caldura compact (cu asezarea
11
tevilor în serpentina); H- înaltimea schimbatorului; D- diametrul serpentinei; L-
lungimea tevilor; S- pasul serpentinei; d2e- diametrul tevii exterioare; d1e- diametrul
tevii interioare; (diametre exterioare); t1',t''
1- temperaturile, initiala si finala, ale
produsului incalzit sau racit;t2', t2''- temperaturile, initiala si finala, ale agentului
termic.
La încalzirea unui lichid pe seama caldurii cedate de aburul saturat care
condenseaza, este indicat ca lichidul sa circule de jos în sus prin interiorul tevii, iar
aburul (si condensatul) de sus în jos în spatiul inelar dintre cele doua conducte,
condensatul evacuându-se pe la partea inferioara prin intermediul unui separator de
condensat. În acest sistem se realizeaza o circulatie în contracurent. Aceasta se
poate realiza si în cazul transferului de caldura între doua lichide, când viteza
lichidului care circula de sus în jos trebuie sa fie aleasa încât teava sa fie tot timpul
plina (sa existe curgere fortata).
Acest tip de schimbatoare de caldura este utilizat atunci când debitele de fluid
sunt mici. Ele se construiesc prin legarea în serie sau în paralel a unor elemente
compuse din doua tevi coaxiale.
Aparatul poate fi adaptat cu usurinta la procesul tehnologic pentru care este
destinat, prin schimbarea lungimii tevilor sau a numarului elementelor de transfer
de caldura.
În industria alimentara, schimbatoarele de caldura cu tevi coaxiale sunt
utilizate în industria uleiului si a vinului, în general pentru variatii mici de
temperatura.
3.2 Instalatie din industria vinului
12
Industria de prelucrare a produselor horticole, în particular cea vinicola si de
prelucrare a fructelor, este dotata cu utilaje si instalatii complexe, cu un grad înalt
de mecanizare si automatizare.
Utilizarea caldurii si frigului în procesele tehnologice se face în diferite stadii
de prelucrare a strugurilor si fructelor si are ca scop obtinerea calitatilor specifice
ale produsului finit.
Operatiile termice în procesul tehnologic de prelucrare a produselor vinicole
pot fi urmatoarele:
- termomaceratia strugurilor sau a bostinei în scopul intensificarii extractiei
colorantilor si a altor substante din pielita boabelor;
- racirea mustului pentru evitarea fermentarii înainte de limpezirea acestuia;
- limpezire prin încalzire rapidapentru coagularea proteinelor si separarea
suspensiilor din sucul de fructe;
- conservarea sucurilor de fructe si a vinului pentru pasteurizare si refrigerare.
Maceratia la cald sau termomaceratia este o operatie tehnologica care se
bazeaza pe încalzirea strugurilor sau mustuielii în vederea extractiei culorii din
pielita boabelor.
Tratamentul termic al mustului pentru evitarea fermentarii înainte de
limpezirea acestuia consta în încalzirea mustului timp de 2 minute la 85...90°C si
racirea lui imediata pâna la temperaturi de 15...16°C. Acest tratament este
recomandat în special pentru vinurile de consum curent.
13
Practica vinicola arata ca încalzirea mustuielii la 70°C, timp de 15...30
minute, face ca extractia antocianilor sa fie buna iar oxidazele sa fie inactivate.
Aducerea mustuielii la temperatura de 70°C trebuie facuta cât mai rapid posibil,
deoarece enzimele oxidazice, cu activitate maxima în intervalul de temperatura
45...50°C, produc modificari rapide si profunde când încalzirea este lenta.
Termomaceratia are, în comparatie cu tehnologia clasica, o serie de avantaje
dintre care se pot mentiona:
- valorificarea mai eficienta a recoltelor atinse de putregaiul cenusiu,
contaminate de digerite mucegaiuri sau care n-au ajuns la maturitatea tehnologica ;
- permite reducerea dozelor de SO2;
- favorizeaza scurtarea duratei de fermentare;
- conduce la intensificarea culorii rosii;
- necesita mai putina manopera;
- elimina unele opetatii greu de executat;
- favorizeaza o mai buna utilizare a capacitatilor de fermentare si creeaza
posibilitatea diversificarii productiei vinicole;
- permite executarea procesului tehnologic de obtinere a vinurilor rosii în flux
continuu, cu productivitate înalta;
- permite separarea operatiilor de macerare si de fermentare si dirijarea
individuala a acestora;
14
- termomacerarea la 70°C evita aparitia gustului fenic care se percepe la
vinurile obtinute din struguri alterati, vinificati prin procedeele clasice.
În exploatarea curenta se folosesc utilaje pentru termomacerare cu functionare
continua, formate în principiu dintr-un schimbator de caldura si un recipient pentru
stocarea mustuielii în vederea termomacerarii.
Schimbatorul de caldura teava în teava este folosit pentru termomacerarea
mustuielii prin recircularea în masa acesteia a fazei lichide (must) încalzite. În
acest scop , circa 60-70% din mustul separat se trece prin schimbatorul de caldura
unde se încalzeste la aproximativ 85°C. Mustul îmcalzit este recirculta prin
mustuiala din care provine pâna când temperatura acesteia ajunge la 70°C. Pentru a
atinge aceasta temperatura, într-un timp cât mai scurt, fara ca temperatura mustului
sa depaseasca 85°C, este necesar ca debitul de recirculare al mustului sa fie de
cinci ori mai mare decât debitul mustuielii.
Acest procedeu, prin care se poate încalzi întraga cantitate de mustuiala prin
recircularea mustului, se caracterizeaza prin ridicarea rapida si omogena a
temperaturii fara riscul supraîncalzirii partilor solide. Procedeul poate fi folosit si
la termomacerarea strugurilor nezdrobiti, la care ca agent termic recirculant se
foloseste vin de circa 8% vol. încalzit la 50°C. Actiunea simultana a alcoolului si
caldurii permite reducerea duratei de macerare la 10 minute.
Fluxul tehnologic de obtinere a vinurilor rosii prin macerare la cald cu
ajutorul mustului este prezentat în fig.7.
Fractiunea de must folosita pentru încalzirea mustuielii repreuinta 60-70% din
cantitatea totala de must ravac. Restul de 30-40% din mustul ravac, ce a fost în
prealabil separat cu ajutorul scurgatorului înclinat cu melc, nu se mai încalzeste ci
15
se colecteaza separat în vederea asamblarii lui cu mustul termomacerat, rezultat de
la al doilea scurgator înclinat si presa continua.
Schema fluxului tehnologic pentru vinificatie în rosu prin macerare la cald:
1- mijloc de transport autobasculant;
2- buncar de receptie;
3- zdrobitor- dezciorchinator cu pompa;
16
4- scurgator înclinat cu snec;
5- vas de încalzire a mustuielii;
6- recipient pentru maceratie la cald;
7- scurgator înclinat cu snec;
8- presa continua;
9- cisterna tampon;
10- schimbator de caldura "teava în teava".
4. Calcule
Într-o instalatie termica, schimbator de caldura cu circulatia fluidelor în
contracurent, trebuie sa se încalzeasca o cantitate de must m1=215kg/h de la
temperatura t1=42°C pâna la t2=75°C.
Mustul are o capacitate termica de 3726J ⁄ kg∙K.
Pentru încalzire se foloseste apa, care intra în schimbator cu temperatura
90°C, debitul apei fiind de 350kg ⁄ h.
Valoarea coeficientului global de transfer de caldura este
k=1004W ⁄ m2∙K.
4.1 Bilantul de materiale
17
∑materiale intrate = ∑materiale iesite
Materiale intrate - 215kg must
- 350kg apa calda
Materiale iesite - 213kg must
- 345kg apa racita
- 7kg pierderi
215+350=213+345+7
565=565
4.1. Bilantul termic
Expresia bilantului termic este:
Qin=Qies
Qin - cantitatea de caldura intrata în schimbatorul de caldura;
Qies - cantitatea de caldura iesita din schimbatorul de caldura;
Calculul cantitatii de caldura intrata în schimbatorul de caldura "teava în
teava"
18
Qin = Qmust intrat + Qapa calda
Qmust intrat - cantitatea de caldura adusa de must
Qapa calda - cantitatea de caldura adusa de apa calda (agentul termic)
Qmust int = mmust ∙ cmust ∙tmust intrat
mmust - cantitatea de must supusa încalzirii [kg]
cmust - capacitatea termica sau caldura specifica a mustului [J/kg·K]
tmust intrat = 42°C = 42+273 = 315°K
Qmust intrat = mmust ∙ cmust ∙tmust intrat
= 215kg · 3726 K
= 252343350 J
Qapa calda = mapa calda · capa calda · tapa calda
mapa calda - cantitatea de apa calda intrata în schimbator;
capa calda - caldura specifica a apei calde;
tapa calda - temperatura apei calde;
mapa calda = 350kg
19
capa calda = 4190J/kg·K (la 90°C)
tapa calda = 90°C = 90+273 = 363°K
Qapa calda = 350kg · 4190 =532339500 J
Qin = Qmust+Qapa calda
= 4205722,5+8872325=13078047,5W
Calculul cantitatii de caldura iesita din schimbatorul de caldura "teava
în teava"
Qies = Qmust încalzit + Qapa racita + Qp
Qmust încalzit - cantitatea de caldura primita de must;
Qapa racita - cantitatea de caldura cedata de apa calda;
Qp - cantitatea de caldura pierduta cu mediul extern;
Qmust încalzit = mmust încalzit ∙ cmust încalzit ∙tmust încalzit
mmust încalzit - masa de must încalzita [kg];
cmust încalzit - caldura specifica a mustului încalzit [J/kg·K];
20
tmust încalzit - temperatura mustului încalzit;
mmust încalzit = 213kg
cmust încalzit = 3726J/kg·K
tmust încalzit = 75°C = 75+273 = 348°K
Qmust încalzit = mmust încalzit ∙ cmust încalzit ∙tmust încalzit
= 213kg · 3726
= 276186020J
Qapa racita = mapa racita ∙ capa racita ∙ tapa racita
mapa racita - masa de apa racita;
capa racita - 4180J/kg·k;
tapa racita = 78°C = 78+273 = 351°K
Qapa racita = 345kg · 4180J/kg·k · 351°K
21
= 506177100J
Qp = Qin - (Qmust încalzit + Qapa racita)
= 13078047,5-(46031003+8436285)
= 13078047,5-13039385 = 38662W
22
Bibliografie
1. Banu C., Ingineria produselor alimentare. Operatii si utilaje., Editura
"Tehnica" , Bucuresti 2002
2. Cebotarescu I. D., Neagu C.,Bibire Luminita, Utilaj tehnologic pentru
vinificatie , Editura "tehnica", Bucuresti 1997
3. Stancu Alexandru, Mamaliga Ioan, Industria chimica- Operatii si utilaje de
baza , Editura " Gh. Asachi", Iasi 1997
4. .http://www.directindustry.com/find/coaxial-heat-exchanger
5. Ibrahim Dincer, Heat transfer in food cooling applications, University of
Victoria, 1997
6. http://alisa.ucsd.edu/LIB/REPORT/UCSD-ENG/UCSD-ENG-089..
7. http://www.me.umn.edu/education/courses/me4331/heatex
8. http://wwwsoc.nii.ac.jp/grsj/back/back7-8.html
9. http://www.egi.kth.se/courses/4A1601/Files/VT-tenta%20
10. http://saato014.hut.fi/Hyotyniemi/publications/02_sims
11. Rasenescu, A. Badea, A. Leca, M. Marinescu; Transferul de caldura si masa.
Teorie si aplicatii, Editura Didacticasi Pedagogica, Bucuresti 1983
23
24