SCHIMBĂTORUL DE CĂLDURĂ

“ ŢEAVĂ ÎN ŢEAVĂ”

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

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;

- 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;

- 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);

- 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 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 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.

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.

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.

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 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

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.

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;

- 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 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;

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

∑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”

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

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];

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

= 506177100J

Qp = Qin - (Qmust încalzit + Qapa racita)

= 13078047,5-(46031003+8436285)

= 13078047,5-13039385 = 38662W