Dimension Area Unui Schimbator de Caldura

8/3/2019 Dimension Area Unui Schimbator de Caldura

1/44

UNIVERSITATEA "MARITIMA" CONSTANTA

FACULTATEA ELECTROMACANICA NAVALA

INGINERIE ELECTRICA

ELECTROMECANICA NAVALA

PROIECT

TERMOTEHNICA

ndrumtor,

Prof. Univ.Dr. Ing. TUDOR DARIE


2/44

AN III I.F.R.

Tema lucrrii:

Dimensionarea unui SCHIMBATOR DE CALDURA

CUPRINS

I. INTRODUCERE...............................................................................................................3

1. Enun...........................................................................................................................3

II. CAPITOLUL 1.................................................................................................................4II. CAPITOLUL 2.................................................................................................................6

IV. CAPITOLUL 3..............................................................................................................17

V. CAPITOLUL 4...............................................................................................................39

4.1.1 Calculul cantitati de caldura cedate de instalatia apa dulce a motorului.

38

4.1.2 Calculul cantitati de caldura primita de apa de mare ......................................38

4.1.3 Calculul masei de agenti vehiculate prin instalatii............................................384.1.4 Adoptarea coeficientului global de schimb de caldura .....................................39

4.1.5 Calculul diferentei medii logaritmice de

caldura .................................................39

4.1.6 Calculul suprafetei totale de schimb de caldura .............................................39

4.1.7 Lungimea tevilor ..............................................................................................39

4.1.8 Calculul numarului de tevi ...............................................................................39

4.1.9 Calculul diametrului Dt pe care se aseaza tevile in eshichier..........................404.1.10 Calculul diametrului interior al mantalei schimbatorului.................................40

4.1.11 Calculul suprafetelor de trecere ale purtatorilor de caldura...........................40

4.1.12 Calculul vitezelor ale purtatorilor de caldura..................................................40

4.1.13 Calculul invariatiei criteriului de similitudine(numarul lui Reynolds)...............40

4.1.14 Calculul coeficientilor de convectie.................................................................42

4.1.15 Recalculare coeficientul global de caldura.....................................................42

4.1.16 Calculul abaterii .............................................................................................43

2


3/44

I. INTRODUCERE

1. Enun

S se dimensioneze un SCHIMBATOR DE CALDURA pentru racirea instalatiei

apa dulce la un M.P . stiind ca racirea se face cu apa de mare avind urmatorii parametrii

initiali:

-Pmp= 5800CP

-temperatura de intrare a agentului primar(apa tehnica) T2=86C

-temperatura de iesire a agentului primar(apa tehnica ) T2=65C

-temperatura de intrare a agentului secundar(apa de mare) T1=20C

--temperatura de iesire a agentului secundar(apa de mare) T1=25C

Caracteristicile fizice ale apei de mare se considera ca cele ale apei dulci mai

putin densitatea = 1020 kg/m

-suprafata de schimb este data de tevi de otel cu di/de=50/57

-schimbatorul de caldura va avea un randament = 98%

-lungimea tevii va fi de 3 m

3


4/44

II. CAPITOLUL 1

1.1 Generalitati TERMOCINETICA

1.1.1.Termocinetica sau transferul de caldura este capitolul care se ocupa de studiul

modului in care se propaga caldura pritr-un corp ,intre partea lui calda si cea rece sau

intre doua corpuri cu temperaturi diferite.Transmiterea caldurii este consecinta diferentei

de potential termic.Cunoasterea fenomenelor de transfer are ca scop principal activarea

sau frinarea cantitativa a transferului.

1.1.2.Moduri elementare de transfer termic

1.1.2.1.Conductia reprezinta fenomenul de transfer de caldura efectuat princontactul direct al particulelor unui corp (la nivel microscopic are loc un transfer de

energie cinetica intre moleculele vecine).Fenomenul presupune imobilitatea corpului in

interiorul caruia exista un gradient de caldura.Conductia este caracteristica pentru

corpurile solide.Se poate vorbi despre conductie in corpuri fluide aflate in repaus,dar

imobilitatea acestora in prezenta unui gradient de temperatura este mai greu de

conceput.De aceea transferul conductiv in fluide este insotit de convectie si radiatie.

1.1.2.2 Convectia este fenomenul de transfertermic realizat prin transfer demasa,intre zone cu temperaturi diferite.Fenomenul presupune miscarea mediului in

interiorul caruia exista un gradient de temperatura ,deci convectia este caracteristica

mediilor fluide.Fenomenul se manifesta la suprafata de separatie a fazelor(solid-

lichid;solid-gaz;lichid-gaz)

1.1.2.3 Radiatia reprezinta transferul de caldura de la un corp la altul prin unde

electromagnetice,cu conditia ca mediul care le separa sa fie transparent pentru radiatii

termice.Mecanismul radiatiei consta in transformarea unei parti a energiei interne acorpului in energie radianta ,care se propaga sub forma de unde electromagneticein

spatiu in care ,intilnind celalalt corp ,se retransforma in energie termica la zona de

contact

4


5/44

1.2 Descrierea procesului de transfer termic

1.2.1 Transferul caldurii prin conductieDaca tinem o bara de fier de un capat, iar pe celalalt il punem deasupra unei flacari,constatam, in scurt timp, puternica incalzire a acesteia. Transferul de caldura se faceprintr-un proces numit conductie. Conductia nu este identica la toate substantele

Nu toate substantele solide sunt bune conducatoare de caldura. Metalele suntbune conducatoare de caldura pentru ca ele, la temperaturi obisnuite, contin electroninelegati in atom, electroni care se pot deplasa relativ usor, transportand energie dintr-unloc in altul.

Este acelasi fenomen observat de Brown in cazul gazelor si al lichidelor. De dataaceasta, putem spune ca avem de a face cu un gaz de electroni .

Acesti electroni, in deplasarea lor, vor ajunge in partile mai reci ale metalului,unde isi vor transfera energia electronilor de aici sau retelei atomice.

Desi explicatia este simplista, ea evidentiaza trasatura comuna a acestorfenomene, reprezentata de agitatia termica.

Lichidele, cu exceptia metalelor in stare topita ( mercur ), sunt slabe conducatoaretermice.

In cazul in care consideram un conductor termic paralelipipedic, de grosime L sisectiune S, ale carui doua fete opuse sunt mentinute la temperaturile T2 si T1, cu T2 >T1, se poate arata ca viteza de transfer al caldurii, k, este direct proportionala cudiferenta de temperatura ( T2 T1 ) si cu suprafata S a fetelor si invers proportionala cugrosimea L a materialului. Constanta de proportionalitate KT poarta numele deconductivitate termica.

Aceasta constanta este o proprietate de material. Cateva valori ale constantei,pentru diferite tipuri de materiale, sunt date in tabelul urmator:

Metal Conductivitatetermica

Gaze Conductivitatetermica

Nemetal Conductivitatetermica

CupruAurFierPlumb

39731479,534,7

AerHeliuHidrogenOxigen

0,02340,1380,1720,0238

AzbestSticlaApa

Lemn

0,250,840,60,1

5


6/44

1.2.2Transferul caldurii prin convectieIntr-o eprubeta cu apa se introduce obucata de gheata, legata intr-o plasa de

sarma, pentru a preveni plutirea acesteia. Se incalzeste la flacara unui arzator partesuperioara a eprubetei, pana la fierberea apei. Se constata ca, desi la suprafata apafierbe, cubul de gheata nu se topeste.Convectia este transferul de caldura provocat dedeplasarea unei portiuni calde a substantei in interiorul acesteia,avand ca efectformarea unor curenti.Curentii calzi sunt ascendenti iar cei reci sunt descendenti. Acestfenomen se bazeaza pe proprietatea de dilatare a fluidelor in functie de temperatura.Acest lucru va determina o scadere a densitatii lichidului incalzit, urmata de ridicarea luispre suprafata ( este ceea ce se intampla fluidului intr-un recipient pus la incalzit ).

Atat conductia cat si convectia sunt modalitati de transfer a caldurii ce necesitaexistenta unui suport material solid, lichid sau gazos

1.2.3 Transferul caldurii prin radiatie

Radiatia este calea de transmitere a caldurii ce nu face apel la existenta unuimediu solid, lichid sau gazos. Este modalitatea prin care soarele incalzeste Pamantul.

Toate corpurile radiaza continuu energie, sub forma de unde electromagnetice.Portiunea din spectrul radiatiei electromagnetice, asociata transferului de caldura este indomeniul radiatiei infrarosii.

Prin intermediul acestei radiatii, circa 1340 Jouli de energie patrund in Pamant, infiecare secunda, pe metru patrat de atmosfera. O parte din acesta radiatie estereflectata de paturile superioare ale atmosferei inapoi in spatiu, in timp ce o alta atingesuprafata Pamatului.

Rezistentele inrosite ale unui radiator electric emit unde luminoase vizibile (ochiulpercepe culoarea lor rosie) si unde invizibile, dar perceptibile : unde infrarosii, caretransporta caldura prin aer. Un radiator este deci un aparat care transforma energiaelectrica mai intai in energie termica, si apoi intr-o alta forma de energie, energiaradianta. Soarele este o alta sursa de energie radianta.

II. CAPITOLUL 2

2. Relatii de calcul utilizate in transferul de caldura

2.1.Conductia termica

Conducia termic este un mod de transmisie a cldurii din aproape n aproape, delamicroparticul la microparticul, datorat agitaiei termice nsoit de ciocniri i schimb deenergie, n care nu sunt implicate micri ordonate ale substanei. Conducia termicexist . n orice substan, indiferent de starea de agregare: n fluide conducia coexistcu convecia, uneori i cu radiaia, n solide convecia este neglijabil iar radiaia nuexist.

6


7/44

Se consider un solid prin care se transfer cldur prin conducie.Cantitatea de cldur care strbate n timpul elementar dt elementul de arie orientat d A= d An0 aflat n cmpul de temperatur T este dat de legea Fourier:

_ . dQ_ n0 = grad TA dt

este coeficientul de conductibilitate termic. (n W/mK, J/cmsC,cal/cmsC). este o constant de material, n general dependent detemperatur; pe intervale nu prea largi, se poate considera constant.

In cazul unidimensional, frecvent ntlnit n electronic (fig. 5.5), notndputereatransferat (disipat) dQ d t = Pd , rezult:Pd = - A(x) dT_ -dt =Pd_ dx

Dx A(x)

Diferena de temperatur dintre dou suprafee cu abscisele x1,x2 este:

Rth (K/W, C/W) este rezistena termic n acest caz de conducie

n cazul materialului omogen, cu seciune constant pe direcia propagrii

cldurii, integrnd:

2.2 Convectia termica

Transferul termic convectiv apare datorit micrii macroscopice a fluidelor, sub

form de turbioane sau de cureni.

Cele dou cazuri limit ale transferului convectiv:

convecia liber (natural)

convecia forat.

n ambele cazuri, micarea fluidului este guvernat de legile transferului de

impuls.

n regim laminar, transferul de cldur dup normala la direcia de curgere

decurge preponderent prin conductivitate;

n regim turbulent determinant este transferul de cldur care se face simultan cu

micarea elementelor macroscopice de fluid.

Transferul de cldur va fi cu att mai intens, cu ct regimul de curgere va fi mai

puternic turbulent.

7

A

xx

12Rth

=

RthPd)(

21T2

1

== x

xxA

dxPdT


8/44

2.2.1 Stratul limit termic

Se consider T0 > Tp fluidul adiacent la plac se va rci, avnd pe diverse

zone, temperaturi intermediare ntre T0 si Tp.

Distana de la plac, pe direcia y, pentru care temp. T a fluidului:

T0 > T > Tp = grosimea stratului limit termic,

Zona de existen a variaiei de temp. de-a lungul suprafeei plcii = strat limit

termic (SLT).

2.2.2 Coeficientul individual de transfer termic

Zona din stratul limit n care apare cderea cea mai mare de temperatur se

consider ca fiind zona determinant de rezisten termic n transferul de cldur.

Deoarece vitezele de curgere ale fluidului n apropierea peretelui sunt mici,

tinznd la zero la perete, se poate admite c n aceast zon transferul de cldur

decurge preponderent prin mecanism conductiv.

Se consider toat rezistena la transf. concentrat n SLT, i n special n

apropierea supraf. de transfer, unde vitezele de curgere sunt foarte mici, transferul se

realizeaz prin conductivitate, a..:

8

1==tR

T

y

Tperete

Tfluid

Rt= 1/

y

x

Curgere laminara Curgere turbulenta

T T

stratlimita

laminar substrat laminar

substrat turbulent

x = xcrx = 0


9/44

Mrimea , inversul rezistenei termice, arat intensitatea cu care se petrecetransferul de cldur ntr-un fluid n micare i poart denumirea de coeficient de

transfer convectiv.

Deoarece n transferul termic global schimbul de cldur are loc ntre dou fluide,

apardoi coeficieni de transfer convectiv. Din acest motiv, mrimea se mai numete

i coeficient individual (parial) de transfer termic.Fluxul termic convectiv care trece printr-o suprafa A este dat de legea de rcire

a lui Newton, care se poate scrie:

(1)

Pentru i (Tf Tp) variabile, ecuaia se poate scrie sub forma:

(2)

Transferul n stratul limit termic realizndu-se conductiv, este aplicabil legea Fourier:

(3)

Egalnd ecuatiile se obine expresia coeficientului individual de transfer termic:

(4)

Ecuaia (4) arat c mrimea crete cu creterea gradientului de temperatur.Creterea turbulenei (creterea lui Re) creterea gradientului termic creterea

coeficientului individual de transfer termic.

Ecuaiile (14) arat c reprezint fluxul termic transferat pe unitatea de suprafasub aciunea unei fore motrice de 1 K.

Dimensional

9

( )pfsfps

TTAQ

TTAQ

=

=

sau

dATTdQ pfs =

dAdy

dTdQs

=

= dydT

TT pf


10/44

(5)

Asupra influeneaz o multitudine de factori (de natur hidrodinamic, termic,geometric etc.), astfel nct:

(6)

ar putea fi determinat experimental, cunoscand Q schimbata ntre fluid i perete i

T fluid i T perete.Det. exp. posibila doar n cazul aparatelor aflate n exploatare.

Pt. proiectare este necesar estimarea lui pt. anumite condiii de transfer termicimpuse de procesul tehnologic.

Studiul transferului termic convectiv:

prin utilizarea unor modele matematice (bazate pe ecuaii difereniale),

pe baza unor teorii statistice,

folosind ecuaiile criteriale, dac rezolvarea analitic a ec. difereniale care

descriu transferul convectiv de cldur este imposibil

2.2.3 Ecuaia diferenial a transferului termic convectiv

Cantitatea de cldur transmis prin convecie = cldura transportat de un fluid aflat n

micare. Se consider ntr-un curent de fluid un paralelipiped elementar de laturi dx, dy,

dz, cu volumul dV.

10

( )

=

=

Km

W][

2

pf

s

TTA

Q

,...,,Re,,, ltTcf p=

z

x

yQz

Qz+dz

Qy+dy

Qx+dxQx

Qy

O


11/44

Regimul se consider a fi staionar:

n orice punct al sistemului considerat, toi parametrii care definesc starea

i dinamica sistemului nu variaz n timp (derivatele acestor parametri n

raport cu timpul sunt nule),

nu exist acumulare de substan sau de energie.

Debitul de fluid care intr pe direciaxn paralelipiped este:

(7)

Acesta introduce n paralelipiped cantitatea de cldur:

(8)

La ieirea din paralelipipedul elementar, pe direcia x, fluxul elementar de fluid (vx)devine:

(9)

iar temperatura T devine:

(10)

Fluxul termic ieit din paralelipiped pe direcia x va fi:

(11)

Efectund calculele n (11) i neglijnd diferenialele de ordin doi i superior, ecuaia (11)se scrie:

(12)

n mod analog cu ecuaiile (8) i (12) se pot scrie ecuaiile fluxurilor termice intrate i

ieite din paralelipiped pe direciile y i z.

Excesul de cldur pe care fluidul l las n timpul trecerii prin paralelipipedul elementar

este:

11

dzdyvx

dzdyTvcQ xpx =

( )dx

x

vv xx

+

dxx

T

T

+

( )dzdydx

x

TTdx

x

vvcQ xxpdxx

+

+=+

( )( )

( ) dVx

Tv

x

vTcdydzTvcQ x

xpxpdxx

+

+=+

( ) ( )zyxdzzdyydxxzyx

QQQQQQ

dQdQdQdQ

++++=

=++=

+++


12/44

(13)

sau

(14)

Caracterul de regim staionar al curgerii se introduce prin urmtoarele dou condiii:

Lipsa acumulrii de substan, exprimat prin ecuaia continuitii:

(15)

Lipsa acumulrii de cldur, care cere ca excesul de cldur dQ luat de

curentul de fluid din paralelipipedul elementar s fie adus, prin

conductivitate, din exteriorul paralelipipedului.

nclzirea conductiv a paralelipipedului este dat de ecuaia:

(16)

Introducnd aceste dou condiii n ecuaia (14) se obine:

(17)sau

(18)

unde = /(.cp) - difuzivitatea termic a mediului prin care are loc transferul.

(17) sau (18) = ecuaia diferenial Fourier Kirchhoff, ec. care red distribuia

cmpului de temperatur pentru un fluid aflat n micare staionar.n regim nestaionar, ecuaia (18) devine

12

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) dVz

Tv

y

Tv

x

Tvc

dVz

v

y

v

x

vTcdQ

xxxp

xxxp

+

+

+

+

+

+

=

( ) ( ( ) 0=++ zv

yv

xv zyx

dVz

T

y

T

x

T

dQ

+

+

= 22

2

2

2

2

( ) ( ) ( )

+

+

=

=

+

+

2

2

2

2

2

2

z

T

y

T

x

T

z

Tv

y

Tv

x

Tvc zyxp

Taz

Tv

y

Tv

x

Tv zyx

2=+

+


13/44

(19)

sau: derivata substantiala a temperaturii

(20)

n aceste forme complete ecuaia Fourier Kirchhoff este imposibil de rezolvat analitic;Pentru calculul profilului temperaturii, respectiv al coeficienilor individuali de transfer

termic, se face apel la ecuaii criteriale.

n anumite condiii, ecuaia (123) poate cpta forme mai simple.

Astfel, n regim staionar i fluide imobile, (vx = vy = vz = 0)

(20) se reduce la forma:

2T = 0form care corespunde transferului termic conductiv n regim staionar

n cazul transferului termic convectiv, integrarea analitic a ecuaiei (19) nu este posibil.

Pentru a putea stabili criteriile de similitudine care intervin n transferul termic convectiv,

ecuaia (19) se pune sub forma:

(21)

Se poate observa c toi termenii ecuaiei (21) au dimensiunea unei energii raportate la

unitatea de volum [W/m3].

Trecnd la formula dimensional generalizat, (21) se poate scrie:

(22)

13

+

+

=

=

+

+

+

2

2

2

2

2

2

z

T

y

T

x

T

z

Tv

y

Tv

x

Tv

t

Tc zyxp

Tadt

DT 2=

02

2

2

2

2

2

=+

+

+

+

+

t

Tc

z

T

y

T

x

T

z

Tv

y

Tv

x

Tvc

p

zyxp

02

=

+

t

Tc

l

T

l

Tvc pp


14/44

Cel de-al treilea termen al ecuaiei (22) reprezint cantitatea de cldur Q acumulat n

unitatea de volum de fluid n unitatea de timp:

(23)nlocuind cantitatea de cldur Q din legea de rcire a lui Newton (1) n (23), formula

dimensional generalizat (22) devine:

(24)

primul termen = viteza transferului termic convectiv,

al doilea termen = viteza transferului termic conductiv,al treilea termen = cantitatea de cldur transferat.

Raportul dintre termenii I i II reprezint criteriul Pclet:

(25)

Raportul dintre termenii III i II reprezint criteriul Nusselt:

(26)

Funcia criterial care descrie transferul termic convectiv va fi:

(27)

Alaturi de similitudinea termic (PeM = PeP) se adaug i similitudinea hidrodinamic

(ReM = ReP ; FrM = FrP) i geometric, astfel nct funcia criterial complet va fi:

(28)

Se prefer nlocuirea criteriului Pclet cu un alt criteriu, criteriul Prandtl, care se obine

raportnd criteriul Pclet la criteriul Reynolds

14

=

=

=

l

T

tl

tTl

tl

Q

t

Tcp 3

2

3

02

=

+

l

T

l

T

l

Tvcp

Pe

2

=

=

lvc

l

Tl

Tvc

p

p

Nu

2

=

=

l

l

T

T

( ) constantNuPe, =f

constant...,,Fr,Re,Nu,Pe,0

2

0

1 =

l

l

l

lf

a

c

lv

lvcp

p

=

=

==

Re

PePr


15/44

(29)

Criteriul Pr conine doar constante fizice ale fluidului prin care are loc transferul de

cldur i reprezint raportul dintre viscozitatea cinematic ( ) i difuzivitatea termic(a) a fluidului.

ntruct criteriul Nusselt conine parametrul care trebuie determinat ( ), el este criteriul

determinant, iar ecuaia criterial (28) capt forma:

(30)

Deoarece criteriul Frprovine din raportul dintre energia potenial i energia cinetic, elpoate fi omis n cazul conveciei forate n regim turbulent.

n cazul conveciei naturale, cnd deplasarea fluidului i deci i transferul cldurii se

realizeaz sub influena diferenei de densitate a fluidului la temperaturi diferite, criteriul

Fr nu poate fi neglijat. Este de preferat ns substituirea sa cu un alt criteriu, criteriul

Grashof:

(31)

innd cont de criteriul Grashof, ecuaia criterial (30) capt forma general

(32)

n care G1, G2, ... = criterii de similitudine geometric

Forme particulare ale ecuaiei criteriale (32)

Transmiterea cldurii prin: Ecuaia criterial

lichide n convecie forat Nu = f(Re, Pr, G1, G2, ...)

lichide n convecie liber Nu = f(Pr, Gr, G1, G2, ...)

gaze n convecie forat Nu = f(Re, G1, G2, ...)

15

=

= ...,,Fr,Pr,Re,Nu

0

2

0

1

l

l

l

lf

l

TglT

vl

v

gl

T

=

=

==

2

3

2

2

2ReFrGr

( ),...G,GGr,Pr,Re,Nu 21f=


16/44

gaze n convecie liber Nu = f(Gr, G1, G2, ...)

n cazul gazelor, s-a constatat c pentru substane avnd acelai numr de atomi n

molecul, criteriul Prandtl este practic constant, avnd urmtoarele valori:

Pr = 0,67 (gaze monoatomice);

Pr = 0,74 (gaze diatomice);

Pr = 0,80 (gaze triatomice);

Pr = 1,00 (gaze tetraatomice).

Ecuaiile criteriale pentru descrierea transferului de cldur pot fi deduse i prin analiz

dimensional, utiliznd teorema

Cu foarte puine excepii, coeficienii individuali de transfer de cldur se determincu ajutorul ecuaiilor criteriale.

Ecuaiile criteriale scrise sub forma general (32) nu pot fi utilizate pentru determinarea

coeficienilor .Pentru a putea fi utilizate, aceste ecuaii se scriu sub forma unor produse de criterii,

fiecare ridicat la o putere:

2.2.4 Determinarea coeficienilor individuali de transfer termic

(33)

Utilizat sub aceast form, ecuaia criterial i restrnge aria de valabilitate. Valorile

constantei c i ale exponenilor m, n, p, ... se determin pe cale experimental.

Ecuaia criterial este valabil doar n cadrul domeniului n care s-au determinat

experimental parametrii c, m, n, p.

Transfer termic la curgerea prin conducte i canale:

Curgere turbulent deplin dezvoltat (Re > 104)

Curgere n regim intermediar (2300 < Re < 104)

Curgere n regim laminar (Re < 2 300)

Transfer termic la curgerea peste fascicule tubulare:

Curgere transversala peste un fascicul de evi netede:

Decalate

NedecalateCurgerea fluidelor peste fascicule de evi prevzute cu aripioare transversale

16

( ) ( ) ( ) ...GPrReNu 1pnm

c=


17/44

Transfer termic la curgerea pe suprafee plane:

curgerea unui fluid de-a lungul unei suprafee plane

curgerea peliculara a lichidelor pe suprafee verticale

2.

3. Radiaia termicRadiaia termic este un proces de transmisie a cldurii prin transformareaenergieicalorice n energie radiant (unde electromagnetice n principal n domeniul infrarou)emisn spaiu.Potrivit legii Stefan Boltzman, puterea radiat este:

este coeficientul de culoare (pentru corpul absolut negru = 1 , T1 este temperaturasuprafeei radiante, T2 este temperatura mediului (la mare distan).

Coeficientul de culoare depinde de natura i gradul de prelucrare al suprafeei: pentru suprafee metalice (Al, Ag, Cu, Ni, etc.) = 0,02 ...0,1; pentru suprafee negre (vopsite, lcuite, oxidate, eloxate, etc.) = 0,9 ... 0,98.Din acest motiv, suprafeele radiatoarelor se nnegresc (prin vopsire, preferabil dup oprealabileloxare sau anodizare).

IV. CAPITOLUL 3

3.SCHIMBATOARE DE CALDURA

3.1 Notiuni generale

Schimbtoarele de cldur sunt utilaje termice care servesc la nclzirea sau

rcirea unui fluid, vaporizarea sau condensarea lui cu ajutorul unui alt fluid.

Din punct de vedere funcional, numrul lor este foarte mare (ex.: prenclzitoare

de ap sau aer, rcitoare de ulei, distilatoare, vaporizatoare, condensatoare, radiatoare,

etc.) ns principiul de funcionare este acelai i anume transferul de cldur de la unfluid la altul prin intermediul unui perete despritor.

Exist i schimbtoare de cldur fr perete despritor ntre fluide, ca de

exemplu turnurile de rcire, camerele de pulverizare etc., dar calculul este mai complicat

dei principiul de lucru este acelai.

Schematizat, un schimbtor de cldur const din dou compartimente separate

de un perete, prin fiecare circulnd cte un fluid. Prin peretele despritor are loc

transferul cldurii de la fluidul cald la cel rece. n timpul circulaiei fluidelor prin cele dou

17

= 44- 8 T 2-T 1(.1 05 , 7 6P d


18/44

compartimente, temperatura lor variaz, unul nclzindu-se cellalt rcindu-se.

Temperaturile la intrarea n schimbtorul de cldur se noteaz cu indice prim iar cele la

ieire cu indice secund.

Din punct de vedere al modului n care curg cele dou fluide prin schimbtorexist schimbtoare

a) cu curgere paralel n echicurent;b) cu curgere paralel n contracurent;c) cu curgere ncruciat;d) cu curgere mixt.

Din punct de vedere termodinamic, procesele din schimbtoarele de cldur sunt

izobare.

n calculul unui schimbtor de cldur de obicei se cunoate fluxul de cldur

Q

care trebuie transmis de la un fluid la altul, debitele celor dou fluide 1m

i2m

,

temperaturile de intrare 1t i 2t , cldurile specifice c1 i c2, i trebuie determinat

suprafaa S necesar transmiterii acestui flux.

Presupunnd 1 fluidul cald i 2 fluidul rece, relaiile de calcul rezult din egalitatea

fluxului de cldur cedat de fluidul 1 , primit de fluidul 2 i transmis ntre cele dou fluide:

( ) ( ) m22221111 tSKttcmttcmQ ===

18


19/44

unde tm este diferena de temperatur medie ntre cele dou fluide.

Variaia temperaturii fluidelor n cazul curgerii paralele n echicurent

Variaia temperaturii fluidelor n cazul curgerii paralele n contracurent

Pentru calcule aproximative:

2

tt

2

ttttt 2211mmm 21

+

+==

Pentru calcule mai precise:

( ) ( )

( ) ( )

tt

ttln

tttt

t

tln

tttt

tt

ttln

tttt

t

tln

tttt

1

1

2121

m i n

m a x

m i nm a x

m C Cm

1

21

2121

m i n

m a x

m i nm a x

m E Cm

=

==

=

==

Pentru echicurent (EC)

Pentru contracurent

19


20/44

(CC)

tmEC i tmCC se numesc diferen medie logaritmic de temperaturi

Principalele schimbatoare de caldura din instaltiile frigorifice si pompele de caldura suntvaporizatorul si condensatorul.

In componenta acestor instalatii mai pot sa existe si alte schimbatoare de caldura cumsunt:

- Subracitoarele din instalatiile frigorifice functionand cu amoniac;- Schimbatoarele interne de caldura (regeneratoare) din instalatiile frigorifice cufreoni.

Cele mai importante criterii de clasificare a schimbatoarelor de caldura sunt:

Natura agentului cu care agentul frigorific realizeaza transferul termic:

- gaze (in general aer);- lichide (in general apa).

Rolul functional si tipul schimbatorului:

- vaporizatoare- racitoare de aer (sau alte gaze);- racitoare de apa (sau alte lichide).

- condensatoare- racite cu apa (sau alte lichide);- racite cu aer (sau alte gaze).

Conditiile de functionare cele mai importante ce caracterizeaza regimul de lucru alschimbatoarelor de caldura din instalatiile frigorifice sunt:

- temperaturile si presiunile agentilor la intrarea si iesirea din schimbator (in cazulracirii aerului este importanta si umiditatea acestuia);- diferenta minima de temperatura intre cei doi agenti;- modul de alimentare cu agent frigorific (in special pentru vaporizatoare);- prezenta acumularilor termice (cazul vaporizatoarelor acumulatoare de gheata).

Sarcinile termice ale schimbatoarelor de caldura, care reprezinta marimile fundamentalepentru proiectarea acestor aparate.

Caracteristicile geometrice ale schimbatoarelor de caldura adica:

- modul de dispunere a tevilor;

- pasul dintre tevi;- dimensiunile tevilor (diametru exterior si interior, sau diametrul exterior sigrosimea);- numarul de randuri de tevi (tevi pe orizontala) si numarul de sectii (tevi peverticala).

Caracteristicile functionale, sunt cele care definesc performantele termice sifluidodinamice ale schimbatoarelor de caldura. Intre acestea cele mai importante sunt:

- coeficientul global de transfer termic;- pierderile de presiune pe circuitele celor doi agenti;- modul de automatizare a functionarii (prin controlul presiunii agentului frigorific,

al givrajului, sau al compozitiei apei, etc.);

20


21/44

Operatiile de intretinere necesare reprezinta o alta caracteristica importanta, iar catevaexemple sunt:

- purjarea (gazelor necondensabile, uleiului, etc.);- curatarea, degivrarea, desprafuirea, detartrarea;- tratamente auxiliare (dedurizarea apei, filtrarea, etc.).

Clasificarea schimbatoarelor de caldura se poate realiza de exemplu dupa naturaagentilor si rolul functional:

Agenti Vaporiztoare Condensatoare

Aer si gaze uscate Baterie cu aripioare Baterie cu aripioare

Aer si gaze umede Baterie cu aripioareCondensatoare cu evaporarea apei(naturala sau fortata)Turnuri de racire

Apa si lichide

Schimbatoare multitubulare- agentul rece in tevi- agentul rece intre tevi

Schimbatoare multitubulare- agentul cald in tevi- agentul cald intre tevi

Schimbatoare cu placi

Schimbatoare coaxiale

3.2 Constructia schimbatoarelor de caldura

Indiferent de modul in care sunt clasificate schimbatoarele de caldura utilizate intehnica frigului, exista patru modalitati tehnice de realizare a acestora, dintre careprimele doua sunt cele mai raspandite:

- schimbatoare de caldura multitubulare

- baterii schimbatoare de caldura cu aripioare- schimbatoare de caldura cu placi

- schimbatoare de caldura coaxiale

3.2.1 Schimbatoare de caldura multitubulare

3.2.1.1 Aceste aparate sunt construite in principiu dintr-un fascicul de tevi, montate indoua placi tubulare si inchise intr-o manta prevazuta cu capace, asa cum se observa infigura

21


22/44

Fig. 3.1. Schema functionala a unui schimbator de caldura multitubular

In general tevile sunt laminate si destinate special constructiei schimbatoarelor decaldura. Cele mai utilizate materiale sunt:

- oteluri pentru temperaturi medii sau joase;

- cupru;- aliaje cupru-nichel in diferite compozitii (de exemplu 70/30%, sau 90/10%);- aliaje cupru-aluminiu in diferite compozitii (de exemplu 93/7%, sau 91/9%);- diferite tipuri de aliaje cu zinc intre 22 si 40%;- oteluri inoxidabile.

Exista o mare varietate de diametre pentru care sunt produse aceste tevi, dar in general,pentru schimbatoarele de caldura se prefera tevi cu diametre cat mai mici, care asiguraun transfer termic mai intens si constructii mai compacte, dar se vor avea in vedere siaspectele legate de pierderile de presiune si de colmatare.

Utilizarea intensa in ultimii ani a freonilor, caracterizati prin coeficienti de transfer termic

mai redusi, a dus intre altele si la producerea de schimbatoare multitubulare, dar nunumai, in care se utilizeaza tevi speciale pentru imbunatatirea conditiilor de transfertermic.

3.2.1.2 Tevi speciale pentru imbunatatirea transferului termic

In figura 3.2 sunt prezentate tevi cu nervuri spiralate, care se utilizeaza in special laconstructia vaporizatoarelor:

Fig. 3.2. Tevi cu nervuri spiralate

In figura 3.3. este prezentata o teava cu nervuri exterioare joase, realizate prin

extrudare, din materialul de baza al tevii. Dupa extrudare, diametrul exterior al partilorlise ale tevilor, este egal cu diametrul exterior al nervurilor, ceea ce permite o montare

22


23/44

usoara in placile tubulare. Pasul dintre nervuri este in mod uzual de (0,81,5) mm, iarinaltimea nervurilor este de aproximativ (11,5)mm. Aceste tevi pot sa asigure unraport intre suprafata exterioara a tevilor nervurate si suprafata interioara a acestora de35, ceea ce reprezinta o crestere semnificativa a suprafetei exterioare de transfertermic.

Fig. 3.3. Teava cu nervuri joase, obtinute prin extrudare

In figura 3.4. sunt prezentate cateva tipuri de tevi cu aripioare ondulate. Aceste tevi seutilizeaza in special la constructia vaporizatoarelor. Pe teava de baza se monteaza prinsudare elicoidala, o banda ondulata. Asemenea constructii se pot realiza pentru teviavand diametre intre (839) mm. Inaltimea nervurilor este de 9 mm, iar grosimeaacestora variaza intre 0,20,3 mm. Raportul dintre suprafata exterioara si cea interioaraeste de 916.

Fig. 3.4. Tevi cu nervuri ondulate

In figura 3.5. este prezentata o teava cu nervuri in forma de ace. Acestea se utilizeaza inspecial la constructia condensatoarelor. Exteriorul tevilor se aseamana cu o periemetlica, ceea ce asigura o suprafata si o intensitate a transferului termic, foarte ridicate.Aceste tipuri de tevi sunt eficiente in primul rand pentru transferul caldurii in medii

gazoase si in particular in aer.

Fig. 3.5. Teava cu nervuri aciforme

23


24/44

In figura 3.6. sunt prezentate cateva tevi cu miez in forma de stea, care se utilizeaza laconstructia vaporizatoarelor cu fierbere in interiorul tevilor. Suprafata interioara estemarita prin introducerea in tevi a miezurilor realizate din aluminiu si avand uzual cincisau zece raze. Problema tehnica a realizarii acestor tevi o reprezinta asigurareacontactului termic dintre teava de baza si miez, realizat prin introducerea fortata amiezului. Intensitatea transferului termic este marita daca se realizeaza si rasucirea

miezului de 23 ori pe fiecare metru de teava.Tevile cu miez in forma de stea pot avea diametre de 1619 mm si grosimea de 1 mm.Raportul dintre suprafata interioara si cea exterioara este de 2 in cazul miezurilor cu 5raze si 3,7 in cazul miezurilor cu 10 raze.

Fig. 3.6. Tevi cu miez in forma de stea

In figura 3.7. sunt prezentate cateva modele de tevi cu nervuri interioare. Aceste tevi sepot utiliza si la vaporizatoare si la condensatoare. Nervurile sunt realizate din teava debaza, ceea ce asigura un transfer termic foarte bun. exista numeroase forme ale

nervurilor si grade de rasucire. Fata de tevile lise, coeficientul global de transfer termiccreste mult datorita urmatoarelor efecte:

- cresterea suprafetei de transfer termic;- drenajul prin capilaritate a fazei lichide, care formeaza un film subtire pe suprafatainterioara nervurata;- rotirea filmului de lichid, datorita rasucirii (inclinarii) nervurilor.

Fig. 3.7. Tevi cu nervuri interoare

In figura 3.8. sunt prezentate doua tevi cu suprafata neregulata montate una in alta.Asemenea tevi se pot utiliza eficient in constructia condensatoarelor si avaporizatoarelor, sunt foarte moderne si seproduc in Japonia, SUA, Germania sau

24


25/44

Franta. Suprafetele tevilor prezinta diferite tipuri de cavitati, proeminente piramidale sauasperitati, realizate prin diverse procedee tehnologice noi. Suprafetele neregulate aleacestor tevi pot intensifica transferul termic in cazul schimbarii starii de agregare, pentruca favorizeaza amorsarea fierberii, respectiv a condensarii. Din acest motiv aceste tevimai sunt numite si tevi de nucleatie.

Fig. 3.8. Tevi cu suprafete neregulate

In figura 3.9. este prezentata o teava din materiale compozite. Asemenea tevi se potutiliza si in condensatoare si in vaporizatoare, atunci cand conditiile de transfer termicsunt mediocre atat in interior cat si in exteriorul tevilor. Aceste tevi combina avantajelenervurilor exterioare cu cele ale generatoarelor interioare de turbulenta. Exista mai multevariante de asemenea tevi intre care se pot aminti tevi cu nervuri elicoidale la interior sistructura piramidala la exterior, sau tevi cu nervuri elicoidale atat la interior cat si laexterior. Diametrele pentru care se produc asemenea tevi sunt de 1019 mm, iarraportul dintre suprafata exterioara si cea interioara este de 1,52.

Fig. 3.9. Teava realizata din materiale compozite

3.2.1.3 Uzura si deteriorarea tevilor in exploatare

Calitatea materialelor din care se realizeaza tevile, ca si materialele din care serealizeaza acestea trebuie sa fie dintre cele mai bune deoarece in timpul functionarii,acestea sunt supuse coroziunii si unor solicitari care le pot distruge, sau le pot diminuacapacitatea de transfer termic.

25


26/44

In figura 3.10 este prezentata o teava nervurata corodata in exterior pe duratafunctionarii, iar in figura 3.11 este prezentata o teava nervurata corodata in interior.

Fig. 3.10. Teava nervurata corodata la exterior

Fig. 3.11. Teava nervurata corodata interior

In figura 3.12 este prezentata uzura aparuta pe o teava in zona de montare pe suport.

Fig. 3.12. Teava uzata datorita suportului

In figurile 3.13 si 3.14 sunt prezentate tevi distruse datorita solicitarilor la care au fostsupuse in timpul functionarii.

Fig. 3.13. Teava sparta datorita presiunii ghetii formate in interior

26


27/44

Fig. 3.14. Teava fisurata longitudinal

Din ultimele doua imagini se observa ca tevile nu se fisureaza transversal, cilongitudinal, sau altfel spus se sparg (crapa).

3.2.1.4 Placile tubulare

Placile tubulare se utilizeaza pentru fixarea tevilor in fascicul si se monteaza laextremitatile mantalei asa cum se observa in figura 2.1. Daca este necesar, pentrusustinerea fasciculului de tevi se utilizeaza si suporti. Pentru realizarea placilor tubularesi a suportilor se pot utilizea urmatoarele materiale in functie de natura agentilor siagresivitatea acestora fata de aceste materiale:

- oteluri pentru agenti frigorifici, apa dulce sau agenti intermediari de racire farasaruri;- cupru pentru freoni, dar nu si pentru amoniac;- bronz pentru apa de mare sau agenti intermediari pe baza de saruri;- otel placat cu otel inoxidabil pentru agenti agresivi;

- otel inoxidabil pentru lichide alimentare.Orificiile sunt practicate in placile tubulare si in placile suport, astfel incat sa formeze deregula hexagoane (sau triunghiuri eliciodale). Uneori gaurile, respectiv tevile se dispun informa de coridor (sau patrate), iar uneori in forma de cercuri concentrice, ca in figura3.15, in care a este numarul de tevi pe latura hexagonului, respectiv patratului exterior,iar b este numarul de tevi pe diagonala hexagonului exterior. In vederea unei montariusoare a tevilor in fascicul prin placile tubulare si suporti, gaurile din acestea serealizeaza simultan, (toate odata).

Fig. 3.15 Moduri de dispunere a tevilor in placile tubulare

a dupa hexagoane; b dupa patrate; c dupa cercuri concentrice

In cazul cel mai des intalnit, al hexagoanelor, de regula pasul dintre tevi este deaproximativ 1,25 diametrul exterior al tevilor. Gaurile din placile tubulare se finiseaza in

27


28/44

mod diferit, in functie de procesul tehnologic de montare a tevilor. Astfel pentru tevilesudate electric sau brazate se realizeaza o alezare urmata de samfrenare, iar pentrutevile mandrinate se realizeaza o alezare urmata de realizarea unor canale interioare,asa cum se observa in figura 3.16. Mandrinarea se ralizeaza astfel incat in urmadeformarii tevilor, acestea sa se fixeze in canalele prevazute in gaurile de fixare.

Fig. 3.16. Procedeele uzuale de fixare a tevilor in placile tubulare

3.2.1.5 Mantaua

Mantaua schimbatoarelor de caldura multitubulare se calculeaza astfel incat saaiba un diametru interior care sa permita montarea fasciculului de tevi. Grosimeamantalei se determina din calculul de rezistenta, astfel incat sa reziste la presiunea delucru a agentului dintre tevi si manta (minim 4 bar). Materialul din care se realizeazamantalele este otelul. Pana la diametre de cca. 400 mm, acestea se realizeaza din teviavand diametrele standardizate. Pentru diametre mai mari, mantalele se realizeaza din

virole obtinute prin roluire. Sudurile prin care se realizeaza asamblarea virolelor inmanta, trebuie controlate prin metode defectoscopice nedistructive (cel mai adesea razeg ). Dupa montare schimbatoarele de caldura multitubulare sunt supuse unor probehidraulice de etansitate la presiuni ceva mai mari decat cele nominale.

3.2.1.6 Capacele

Capacele au rolul de a realiza circulatia agentului din interiorul tevilor. Sicanelemontate pe capace asigura numarul de drumuri prin interiorul tevilor, astfel incat sa serealizeze vitezele de curgere dorite. Tot pe capace sunt montate racordurile de

intrare/iesire pentru agentul care curge prin tevi. De obicei numarul de treceri este par,pentru ca racordurile sa fie montate pe un singur capac. La aparatele de dimensiunimari, capacele sunt demontabile pentru a permite curatarea interioara a tevilor, iarfixarea capacelor se realizeaza prin suruburi pe flansele prevazute in acest scop laexteriorul placilor tubulare. Capacele se realizeaza prin turnare, cel mai adesea dinfonta. Cateva tipuri de capace sunt prezentate in figura 2.17.

28


29/44

3.2.2 Baterii

schimbatoare de caldura cu aripioare

3.2.2.1 Notiuni generale Bateriile cu aripioare se utilizeaza atat pentruconstructia condensatoarelor racite cu aer cat si pentru cea a vaporizatoarelor racitoarede aer si sunt realizate din tevi pe care se monteaza aripioarele. Constructiile rezultatesunt de tipul celor prezentate in figura 3.18.

Fig. 3.18. Baterie cu aripioare

In figura 3.19 sunt prezentate cateva detalii constructive ale bateriilor cu aripioare.

29


30/44

Fig. 3.19. Detalii constructive ale bateriilor cu aripioare

Parametrii fizici care se por defini in vederea efectuarii calculelor termice siaerodinamice ale acestor schimbatoare de caldura sunt:

- numarul de randuri de tevi pe verticala;- numarul de randuri de tevi pe orizontala;- suprafata totala de transfer termic;- raporul dintre suprafata exterioara si suprafata interioara;- suprafata frontala in sensul de curgere a aerului;- suprafata libera de curgere a aerului.

In vederea protejarii anticorozive a mediului in care vor functiona aceste aparate (aerul

atmosferic, aerul marin, aerul din diverse localuri), se realizeaza diverse tipuri deacoperiri:

- galvanizare utilizata in cazul tevilor si nervurilor din otel in vederea protejariiimpotriva ruginirii prin acoperire cu zinc si a asigurarii unui contact termic foartebun;- ematare utilizata in cazul tevilor si nervurilor din cupru,pentru acoperireaacestora cu rasini poliuretanice.

Dupa montare, bateriile sunt supuse unor probe hidraulice de etanseitate, apoi suntuscate si deshidratate, incarcate cu azot la presiune scazuta, inchise si pastrate invederea livrarii.

Alte tipuri de serpentine sunt cele prezentate in figurile 3.20 si 3.21.

Fig. 3.20. Serpentine pentru realizarea de congelatoare cu placi

30


31/44

Fig. 3.21. Serpentine montate intr-un schimbator de caldura de tip panou

3.2.2.2. Tubulatura

Tevile se realizeaza in principiu din acelesi materiale ca si cele de laschimbatoarele de caldura multitubulare, dar predomina otelul si cuprul.

Tendinta ultimilor ani in constructia acestor aparate este de a se reduce cat maimult diametrul tevilor, in scopul imbunatatirii coeficientului global de transfer termic, areducerii masei schimbatoarelor si a incarcaturii de agent frigorific, pe fondul reduceriiglobale a costurilor. Pentru tevile din otel, diametrul interior este in jur de 20 mm, iarpentru cele din cupru, diametrul minim este in jur de 910 mm. Grosimile tevilor suntrelativ mici, pentru otel in jur de 1 mm, iar pentru cupru chiar sub 0,5 mm. In aparatelede acest tip utilizate ca vaporizatoare sau condensatoare, deci in care se realizeazaschimbarea starii de agregare, se utilizeaza adesea tevi speciale, de tipul celorprezentate in paragraful referitor la schimbatoarele de caldura multitubulare.

Pentru dispunerea tevilor se adopta in general una din cele doua variante prezentate infigura 3.22:

- in triunghiuri echilaterale (in sah);- in patrate (in coridor).

Dispunerea tevilor dupa triunghiuri echilaterale asigura un coeficient de transfer termicmai bun, dar cu pierderi de presiune mai mari, in timp ce dispunerea in patrate asiguraun transfer termic mai putin performant, dar caracterizat prin pierderi de presiune maireduse.

Fig. 3.22. Dispunerea tevilor in baterii cu aripioare

31


32/44

3.2.2.3 Nervurile

Nervurile, denumite la aceste constructii si aripioare sau nervuri continue, se pot realizadin otel, aluminiu sau cupru. Cele mai des utilizate sunt combinatiile:

- tevi din otel si aripioare din otel;- tevi din cupru si aripioare din aluminiu.

Mai sunt posibile si combinatii ca:

- tevi din otel si aripioare din aluminiu;- tevi din cupru si aripioare din cupru;- tevi din otel inoxidabil si aripioare din otel inoxidabil.

In figura 3.23 sunt prezentate in sectiune doua tevi pe care au fost montate nervuricontinue lamelare.

Fig. 3.23. Tevi cu nervuri lamelare

Cele mai raspandite tipuri de aripioare sunt prezentate in figurile 3.24 si 3.25:

- nervuri plane continue;- nervuri infasurate.

Fig. 3.24. Nervuri plane continue

32


33/44

Fig. 3.25. Nervuri infasurate

Eficienta termica a nervurilor este cu atat mai buna cu cat:

- materialul din care sunt confectionate are o conductibilitate termica mai buna (aceastacreste in ordinea: otel inoxidabil, otel, aluminiu, cupru);- inaltimea nervurilor este mai redusa;- grosimea nervurilor este mai mare;

- contactul cu tevile de baza este mai bun.In general, pentru tevi din otel cu diametrul de cca. 20 mm, inaltimea nervurilor este de2530 mm, iar grosimea de 0,30,4 mm, in timp ce pentru tevile subtiri din cupru,inaltimea nervurilor este de 1020 mm, iar grosimea acestora este de 0,10,3 mm.

Doua carcteristici geometrice importante ale nervurilor de acest tip sunt pasul adicadistanta dintre axele a doua nervuri consecutive si distanta dintre doua nervuri, adicadistanta dintre flancurile opuse a doua nervuri consecutive. Pentru condensatoare, pasulminim acceptat este de cca. 2 mm, iar pentru vaporizatoare este de cca. 4 mm. In cazulvaporizatoarelor industriale din otel cu depuneri masive de zapada, pasul dintre nervuri

poate sa ajunga pana la cca. 30 mm.Nervurile plane continue se realizeaza prin stantare dintr-o singura trecere astfel incat sarezulte si bordurile pentru fixare pe teava, generatoarele de turbulenta (fomele de pesuprafetele laterale) si orificiile de usurare, reprezentate in figura 3.24. Aceste nervuri semonteaza in pachete de nervuri, pe dispozitive denumite piepteni, care sa asigure pasuldorit. Urmeaza montarea tevilor in gaurile practicte in nervuri. Asigurarea contactuluitermic dintre tevi si nervurile plane continue se realizeaza in general prin gonflarehidraulica, sau mecanic, prin trecerea fortata prin interiorul tevilor, a unor bile calibrate,de diametru ceva mai mare decat cel interior al tevilor. In acest al doilea caz se imprimabilelor o energie cinetica foarte mare, iar aceastea trec prin tevi intr-o maniera

asemanatoare unor gloante si forteaza gonflarea tevilor, respectiv asigurarea contactuluitermic dinte tevi si nervuri.

Nervurile infasurate se realizeaza prin infasurarea in jurul tevii a unei benzi din tabla, cuajutorul unui dispozitiv special destinat acestui scop.

Asamblarea tevilor nervurate (indiferent de tipul nervurilor), se realizeaza prin montareala capete a unor placi in care se fixeaza toate tevile si care constituie si un cadru albateriei, asa cum se observa si in figura 3.18.

Unii producatori de asemenea aparate, realizeaza module din anumite tipuri de tevi siaripioare, ca in figura 3.26.

33


34/44

Fig. 3.26. Module din tevi cu aripioare

Parametrii geometrici care definesc aceste module sunt:

- pasul dintre nervuri;- lungimea nervurata (sau lungimea tevilor);- numarul de tevi din modul (pe adancime si pe inaltime);- diametrul tevilor.

3.2.3 Schimbatoare de caldura cu placi

Aceste aparate sunt realizate prin imbinarea de placi care realizeaza intre elespatii prin care circula agentii care schimba caldura. Acesti agenti ocupa alternativspatiile dintre placile schimbatorului de caldura, astfel incat sa nu se amestece intre ei.In consecinta, spatiile dintre placi trebuie sa fie etansate fata de exterior si fata despatiile in care se gasc alti agenti. De asemenea sistemul de etansare trebuie sa permitatrecerea agentilor dintr-un spatiu in altul, uneori prin traversarea spatiilor destinate altoragenti. Aceste schimbatoare trebuie sa aiba cel putin doua placi, ca in cazul unor tipuride vaporizatoare.

Exista patru variante tehnologice de realizare a schimbatoarelor de caldura cu placi:-cu placi si garnituri demontabile

-cu placi sudate

-cu placi brazate

-cu placi avand circuite imprimate

3.2.3.1 Schimbatoarele cu placi si garnituri demmontabile sunt de tipul prezentat infigura 3.27. Placile intre care se introduc garniturile, se monteaza impreuna intre o placa

de baza si una mobila. Placile pot sa fie demontate in vederea curatarii. Fixarea placilor

34


35/44

se realizeaza cu ajutorul unor tiranti. Din punct de vedere hidraulic se pot realiza curgeriin contracurent sau in echicurent.

Fig. 3.27. Schimbator de caldura cu placi si garnituri demontabile

In figura 3.28 este prezentata schema de curgere a agentilor de lucru intr-un schimbator

de caldura cu placi.

Fig. 3.28. Schema de curgere in schimbatoarele cu placi

Materialele din care se realizeaza placile depind de natura agentilor de lucru, iar celemai utilizate sunt:

- oteluri inoxidabile;- aliaje de aluminiu;- aliaje de titan;- aliaje cupru-nichel.

Grosimea placilor poate sa varieze intre 0,61,1 mm, sau chiar mai mult.

Pentru garnituri se pot utiliza de asemenea mai multe materiale in functie detemperaturile de lucru:

35


36/44

- nitril (tmax = 110 C);- butil (tmax = 135 C);- etilen-propilen (tmax = 155 C);- Viton (tmax = 190 C);

Domeniul temperaturilor de lucru pentru aceste aparate poate sa varieze intre 50

+190 C.Presiunile nominale maxime de lucru pot sa ajunga pana la 1620 bar, iar diferentamaxima dintre presiunile circuitelor poate sa ajunga pana la 912 bar si in modexceptional la 20 bar

3.2.3.2.Schimbatoarele cu placi sudate au placile asamblate nedemontabil prinsudare. Din aceasta categorie fac parte:

- placile dulapurilor de congelare, realizate din profile de aluminiu sudate, pentru a forma

platanele pe care se pastreaza produse si canalele de curgere pentru agentul frigorificcare vaporizeaza;

- schimbatoarele de caldura realizate din placi ambutisate si sudate ca in figura 3.29,pentru a se asigura rezistenta mecanica si curgerea agentilor, de regula in contracurent.

Presiunile nominale maxime pot sa ajunga pana la 3040 bar, iar domeniul detemperaturi intre care pot sa lucreze este de 200+200 C.

Fig. 3.29. Schimbatoare de caldura din placi sudate

36


37/44

3.2.3.3. Schimbatoarele cu placi brazate sunt realizate cu placi din otel inoxidabilasamblate prin brazare (lipire) cu ajutorul unui aliaj pe baza de cupru, in cuptoare subvid. Ansamblul schimbatoarelor de caldura de acest tip este prezentat in figura 3.30. Sepot utiliza ca vaporizatoare sau ca schimbatoare interne de caldura, dar numai pentruagenti curati, deoarece nu se pot curata decat prin spalare chimica.

Compactitatea acestor aparate este foarte mare.

Fig. 3.30. Schimbator de caldura din placi brazate care poate functiona ca vaporizator sau

condensator

Schema de curgere a fluidelor in schimbatoarele de caldura brazate este prezentata infigura 3.31.

Fig. 3.31. Schema de curgere a fluidelor in schimbatoarele cu placi brazate

3.2.3.4 Schimbatoarele de caldura cu placi avand circuite imprimate sunt realizatedin placi metalice plane, avand gravate pe suprafata circuite fine (cca. 1 mm), prinmetode chimice. Placile sunt asamblate in blocuri prin incalzire si presare, procedeudenumit si sudare sub presiune. Canalele sunt legate la doua perechi de colectoare,pentru a forma doua circuite separate. Din aceste placi se pot realiza condensatoare sivaporizatoare foarte compacte.

In prezent aceste tipuri de aparate sunt in curs de perfectionare in special in Australia siMarea Britanie

37


38/44

3.2.4 Schimbatoare de caldura coaxiale

Aceste schimbatoare de caldura, de tipul celor prezentate in figura 3.32, sunt utilizate inspecial pentru lichide, fiind realizate din doua tevi coaxiale. In cazul vaporizatoarelor,cand agentul frigorific circula prin interior, teava interioara poate sa fie prevazuta cu

nervuri, sau poate fi inlocuita cu mai multe tevi, situatie in care teava exterioara are rolulunei mantale. Ansamblul acestor tevi este infasurat elicoidal pentru a mari suprafata detransfer termic fara a mari sensibil gabaritul aparatului.

Fig. 3.32. Tevi si schimbatoare de caldura coaxiale

Schimbatoarele de caldura coaxiale prezinta urmatoarele avantaje:

- performante de transfer termic ridicate, mai ales daca se utilizeaza tevi cusuprafete neregulate;- la sarcini termice egale, sunt mai putin masive decat constructiile multitubulare;- curgerea si transferul termic se realizeaza in contracurent;- au o mare compactitate;- prezinta o incarcatura redusa cu agent frigorific.

Dezavantajul cel mai important pe care il prezinta, il constituie faptul ca nu se poaterealiza curatarea decat prin spalare chimica.

Materialele utilizate pentru realizarea tevilor il reprezinta otelul si aliajele cupru-nichel.

Presiunile nominale maxime pot sa atinga valori de 1525 bar, iar temperaturilemaxime sunt de 20140 C.

Pot fi utilizate ca si condensatoare, vaporizatoare, subracitoare, preincalzitoare,desupraincalzitoare, recuperatoare de caldura, etc.

38


39/44

V. CAPITOLUL 4

4.1 Aplicatia practica

Date intrare :

-Pmp= 5800CP

-temperatura de intrare a agentului primar(apa tehnica) T2=86C

-temperatura de iesire a agentului primar(apa tehnica) T2=65C

-temperatura de intrare a agentului secundar(apa de mare) T1=20C

--temperatura de iesire a agentului secundar(apa de mare) T1=25C

Caracteristicile fizice ale apei de mare se considera ca cele ale apei dulci mai

putin densitatea = 1020 kg/m

-suprafata de schimb este data de tevi de otel cu di/de=50/57

-schimbatorul de caldura va fi in contracurent randament = 95%

-lungimea tevii va fi de 3 m

4.1.1 Cantitatea de caldura cedata de inst. apa dulce a motorului este

Qced=0,25Pmp=0,255800CP=1450CP

Avind in vedere ca 1CP=0,736KW

Definitie: Un watt ora notat W *h este o unitate de masura a energiei egala cu

cantitatea de energie transferata de un proces care transforma o putere de un watt intr-o

ora

1Wh=3600J

1KWh=3,6MJ=3600KJ

Rezulta

Q ced=14500,7363600KJ=3841920 KJh

4.1.2 Cantitatea de caldura primita de apa de mare va fi:

Avind in vedere ca randamentul schimbului de caldura este 95% rezulta

Q primit=Q ced/ =3841920 KJh/0,95=4044126 KJh

4.1.3 Masele de agenti vehiculate prin instalatii sunt:

Avind in vedere ca caracteristicile apei tehnice sunt aceleasi ca ale apei de mare mai

putin densitatea rezulta apa tehnica:

c2=4.18KJ/KgK; 1rP =namarul lui Prandl la temperatura medie

1=0,665W/mK

T2=86C

39

smv /104 271=

45,21 =rP


40/44

T2=65C

DT2= T2- T2=86C -65C =21C

Rezulta

T1=20C

T1=25C

DT1= T1- T1=25C -20C =5C

4.1.4 Adoptarea coeficientului global de schimb de caldura KSe poate considera intre valorile 800 1200KJ/m2*h*grd

Se considera K=1200KJ/m2hgrd

4.1.5 Calculul diferentei medii logaritmice de caldura

C66C20-C86T1-T2maxDT ===

C40C25-C56T2'-T1'minDT ===

4.1.6 Calcul suprafata totala de schimb de caldura

4.1.7 Lungimea tevilor L =3 m

4.1.8 Calculul numarului de tevi

Se calculeaza suprafata schimbului de caldura al unei tevi astfel:

Se calculeaza nr. de tevi necesar

4.1.9.Calculul diametrului Dt pe care se aseaza tevile in eshichier

40

hKggrdgrdKgKJDTc

/6,4376721/18.4

3841920KJ

22

cedQapadulcem =

=

=

hKggrdgrdKgKJDTc

/85,1934985/18.4

KJ4044126

11

primitQapamarem =

=

=

C52C51,910.3764

26

66/40ln

40-66

minmax/DTDTln

minDT-maxDTlogDT =====

281,6452grdgrdh1200KJ/m2

KJ4044126

DTlog

QprimitS m

K=

=

=

21094,5363105714.3 33 mmmdeLSt ===

bucbucm

1217,120210536,94

64,81m2

St

Snt

3=

==


41/44

Esichier =60

Calculam aria pe care se aseaza tevile necesare

Consideram t pasul dintre tevi t=1.22 de=1.2257mm =69,54mm

At=ntti=ntttsin=12169,5469,54sin60mm2=506740 2mm =0,506740 2m

Rezulta

4.1.10 Calculul diametrului interior al mantalei schimbatorului

Di=Dt+u=803mm +(6-8) mm =810mm

4.1.11 Calculul suprafetelor de trecere ale purtatorilor de caldura

St1 apa de mare

St2 apa tehnica

4.1.12 Calculul vitezelor ale purtatorilor de caldura

w1,w2

Deoarece apa tehnica circula printre tevi iar apa de mare prin tevi formulele vor fi:

4.1.13 Calculul invariatiei criteriului de similitudine(numarul lui Reynolds)

Re1-apa de mare

Re2-apa tehnica

41

4At

2Dt=

mmmmAtDt 8038033,064538,03184,0506740,04/14 2 =====

222

237462,05,2374624

505014,3240

41 mmm

dintSt ==

==

2

22222

41675625,0

25,41675625,982825,5150384

575714,3121

4

81081014.3

442

m

mmmmmmde

ntDi

St

=

====

smsmkgm

kg

hSt

mapamarew /2219,0

36003/10202237462,0

85,193498

111 =

=

=

smsmkgm

kghSt

amapatehnicw /0286,03600/1020416756,0

6,4376712

2 32 ===

4

27

3

107737,2/104

1050/2219,0

1

11Re =

=

=

sm

msmdiw


42/44

Se va determina diametrul echivalent prin care curge apa dulce in schimbatorul de

caldura

Consideram un schimbator de caldura

La curgerea transversal n care icanele n form de segment de cerc suntdispuse perpendicular pe axa evilor, seciunea liber de trecere transversal este

Pentru configuraia aleas a fasciculului de evi se calculeaz diametrul echivalent alseciunii transversale de curgere a apei tehnice peste fasciculul de evi:

Seciunea de curgere n manta se calculeaz cu relaia:

- x = distana ntre icane, x =0,4 m

- s = pasul evilor, s = 0,0695m

- de = diametrul tuburilor, de = 0,057 m

- Di = diametru interior manta, Di = 0,81 m

Coeficientul de trecere al caldurii Nusselt

(Re1> 410 i Pr1 >0,7-curgerea este turbulenta rezulta

c = factor de corecie care ine cont de influena variaiei proprietilor fizice alestratului limit asupra conveciei; se calculeaz difereniat, n funcie de natura fluidului

pentru lichide:

42

))

))

mmntdeDi

ntdeDi

Dext

Stdech 12,34

57121810(

57121810(

(4

(424 2222 =+=

+==

4

27

3

101724,0

/104

1012,24/0286.0

2

22Re =

=

=

sm

msmdechw

rcNu = 1PrRe021.01 23.08.0

20582733,00695,0

81,0)057,00695,0(4,0)( m

s

DidesxS ===


43/44

)Pr

Pr(c

p

l=

n care:PrL - reprezint criteriul Prandtl al agentului secundar la temperatura lichidului;Prp - criteriul Prandtl al agentului secundar la temperatura peretelui;

1 - coeficient de corecie care ine cont de faptul c la intrarea ntr-o conduct saucanal, curgerea este turbulent i intervine pentru conducte scurte (l/d 15 in regim turbulent

L / d


44/44

4.1.15 Recalculam coeficientul global de caldura

-conductivitatea termica a otelullui =50W/m grd

1Wh=3600J

4.1.16 Abaterea

%91,3100*1200

115312001200

' ===K

%91,3100*1200

11531200

1200

' === KKDK

3 3

2 2 2

3,14'

1 1 1 1 1 35 1ln ln

1 2 2 1104 30 10 2 50 30 525,65 35 10

3,14320,40 / 340,40 3,6 / 1153 /

0,0098

Kde

di di de

W m grd KJ m h grd KJ m h grd

= =+ + + +

= = = =

Dimension Area Unui Schimbator de Caldura

Documents

Transcript of Dimension Area Unui Schimbator de Caldura