UNIVERSITATEA TEHNICA DE CONSTRUCTII FACULTATEA DE INSTALATII

Calculul predimensional

al unui schimbator de caldura cu placi

PROF. COORD.: Conf. Univ. dr.ing. Mihalscu Gh. STUDENT: Alexandru Marian

An III, IC Seral, Grupa 2

AN UNIVERSITAR 2012-2013

Breviar de calcul pentru un schimbator de caldura cu placi Page 2

Breviar de calcul

Prin tema de proiectare, s-a cerut proiectarea unui schimbător de caldura cu placi, cu

urmatoarele date tehnice:

● Sarcina termica Q=20*N + 1000 [kW]

● Agentul termic primar : t’1=130 - N [ºC]

t’’1=55 [ºC]

● Agentul termic secundar: t’2=10 [ºC]

t’’2=45 [ºC]

● Randamentul termic: η= 99,7 [%]

● Caldura specifica masica: cp1=cp2=4,186 [kJ/kgK]

I. Calcul termic preliminar

N=1

Qut=20*N + 1000 = 20*1 + 1000 = 1020 kW

t’1=130 - N = 130-1 = 129ºC

t’’1=55 ºC

t’2=10ºC

t’’2=45ºC

η= 99,7 %

cp1=cp2=4,186 kJ/kgK

Breviar de calcul pentru un schimbator de caldura cu placi Page 3

Diagrama variatei temperaturilor cu suprafaṭa de schimb de căldură pentru circulaṭia ȋn

contracurent

Din diagrama variatei temperaturilor calculam diferenṭa maximă, respectiv minima de

temperatura ȋntre agenṭii termici (primar si secundar).

Δtm = 55 - 10 = 45ºC

ΔtM = 129 - 45 = 84ºC

Diferenta de temperatura medie logaritmica pentru circulaṭia ȋn contra curent se

calculează cu relaṭia:

Din ecuaṭia de de bilanṭ termic se determina debitele agentului termic primar, respectiv

secundar:

=

G1 =3.302[kg/s]

G2 = 6,962 [kg/s]

Se calculează o suprafaṭă de schimb de caldură aproximativă ( se alege k~5000 W/m2K)

[

Breviar de calcul pentru un schimbator de caldura cu placi Page 4

Se aleg dimensiunile plăcilor având ca indicaṭie dimensiunile plăcilor din tabelul 4.1/pag

56 din Indrumarul de proiectoare: Schimbătoare de căldură.

Alegem Placa Tip VICARB – ALFA LAVAL tipul V20 cu următoarele caracteristici:

Suprafaṭa de schimb de căldură: s=0,20m2;

Inalṭimea: H=0,989m;

Lăṭimea: L=0,242m;

Orificii: d=0,070m;

Lăṭimea garniturii: g=0,0055m

Determinarea numărului de plăci:

(N’-2) – numărul de plăci care participă la tansferul de căldură (din totalul N’ de plăci, cele

de capăt sunt scăldate de agent termic doar pe o singură parte.

Pentru aflarea numărului de placi se rotujeṣte la număr impar

N’ = 19

Numărul de canale pe circuit va fi:

Se calculează viteza pe un circuit cu formula:

unde A este secṭiunea de circulaṭie ȋntre 2 placi ṣi se calculează cu formula:

Se calculează vitezele pe cele 2 circuite cu formulele:

Breviar de calcul pentru un schimbator de caldura cu placi Page 5

II. Calcul termic definitiv

Din calculul termic preliminar s-au stabilit:

● dimensiunile plăcilor: 0,20m2 ;

● numărul de plăci: N’=19

● vitezele agenṭilor termici: w1=0,282 m/s ṣi w2=0,595 m/s

● numărul de circuite ; n=9

Se urmăreṣte determinarea cu exactitate a coeficientului global de transfer de căldură, a

suprafeṭei exacte ṣi a numărului real de plăci.

a. Se calculează temperaturile medii ale agenṭilor termici:

=

tm1 =92 [0C]

=

tm2 =27,5 [0C]

Cu temperaturile tm1 ṣi tm2 , din Anexa 5 se determină mărimile caracteristice ρ, λ, cp, ν, Pr

ale agenṭilor termici.

Din ANEXA 5 se interpolează valorile pentru temperatura de 92 se iau valorile cuprinse

între si °C

100 –90 = 10 [0C] 419.12-376.99=42.13

Se interpolează valorile:

Breviar de calcul pentru un schimbator de caldura cu placi Page 6

10…………………….42,13

2…………………….. x

376,99+8,426=385,426

ρ1– 92 [0C]

100 –90 = 10 [0C] 965,3 – 958,3 = 7

10……………………….. 7

2…………………………..x

λ1– 92 [0C]

100 –90 = 10 [0C] 0,6827-0,6804-=0,0023

10……………………….. 0,0023

2…………………………..x

ν1– 92 [0C]

100 –90 = 10 [0C] 0,326-0,295=0,031

10……………………….. 0,031

2…………………………..x

Pr1– 92 [0C]

100 –90 = 10 [0C] 1,95-1,75=0,2

10……………………….. 0,2

2…………………………..x

Breviar de calcul pentru un schimbator de caldura cu placi Page 7

Din ANEXA 5 se interpolează valorile pentru temperatura de 27,5 se iau valorile

cuprinse între si °C

30 – 20 = 10 [0C] 125,69-83,90=41,79

------

Se interpolează valorile:

10…………………….41,79

7,5…………………….. x

ρ2– 27,5 [0C]

30 – 20 = 10 [0C] 998,2-995,6=2,6

10……………………….. 2,6

7,5…………………………..x

λ2– 27,5[0C]

30-20 = 10 [0C] 0,6176-0,5989=0,018

10……………………….. 0,018

7,5…………………………..x

ν2– 27,5[0C]

30-20 = 10 [0C] 1,000-0,805=0,195

10……………………….. 0,195

7,5…………………………..x

Breviar de calcul pentru un schimbator de caldura cu placi Page 8

Pr2– 27,5[0C]

30-20 = 10 [0C] 7,0-5,4=1,6

10……………………….. 1,6

7,5…………………………..x

Din interpolari rezulta urmatoarele marimi fizice caracteristice pentru fiecare

temperatura:

tm1 =86 [0C] : ρ1–

; λ1–

; cp1 =4,188[KJ/kgK]; ν1–

; Pr1– ;

tm2 =27,5[0C] : ρ2–

; λ2–

; cp2 =4,190[KJ/kgK]; ν2–

; Pr2– ;

b. Se calculeaza criteriile Re pentru cei doi agenti termici

In cazul schimbatorului de caldura cu placi lungimea caracteristica lc se calculeaza cu formula

lc=2g, g se va lua din tabelul 4.1/pag. 56 al Indrumarului de proiectare, g este latimea

garniturii=5,5·10-3 deci

lc= 2·5,5·10-3=11·10-3mm.

c. Se calculeaza coeficientii superficiali de schimb de caldura:

;

unde: - C, m si n sunt constante ale placilor, dependente de unghiul nervurilor (β), conform

tabelului 4.3./pag.61 din Indrumar de proiectare.

- – vascozitatea dinamica la temperatura medie a fluidului si la temperatura

medie a peretelui, dar raportul

se va lua 1.

Calculele se vor efectua pentru un unghi β=120°: C=0,29; m=0,65; n=0,40.

Breviar de calcul pentru un schimbator de caldura cu placi Page 9

= 146,86

= 196,18

d. Consideratii privind depunerile

Acest tip de schimbatoare se curata manual sau chimic.

Valorile rezistentelor conductive ale depunerilor (δ/λ) depind de natura apei. Daca se

admite o curatire periodica corecta, cel putin o data pe an aceste valori sunt redate in tabelule

4.4/pag. 62 din Indrumarul de proiectare. Agentul primar 1 este apa tratata si deci (

[

]. Agentul secundar 2 este apa de la retea (

[

], iar pentru otel inox

(

[

].

e. Se calculeaza coeficientul global de transfer de caldura:

=

= 3524,65

]

Unde

f. Se calculeaza suprafata reala de schimb de caldura si numarul de placi.

g.

=

Breviar de calcul pentru un schimbator de caldura cu placi Page 10

S0 =

m2

Se rotunjeste superior sau inferior la numar impar

N = 25

III. Calculul hidraulic al schimbatoarelor de caldura

Scopul principal al acestui calcul este de a determina pierderile de sarcina (caderile de

presiune) pe traseul celor doi agenti care circula prin aparat. Determinarea pierderilor de sarcina

este necesara pentru a dimensiona pompele sau ventilatoarele ce deservesc instalatiile in care

sunt montate aparatele respective.

Pentru calculul pierderilor de sarcina la schimbatoarele de caldura se vor calcula pierderi de

sarcina liniare si pierderi de sarcina locale.

Δp de tip λ - pierdere liniară

Δp de tip ζ - pierdere locală

ΔpTOT = Σ Δpζ + Σ Δpλ pierderi specifice numai la schimbătoarele de căldură

p

Δpλ = λ

ζ – coeficient de rezistenţă locală

ρ – densitatea la temperatura medie

w – viteza din locul unde are loc “ accidental” obstacolul

λ – coeficient de frecare ( funcţie de criteriul Reynolds – de viteză)

l – pierderea de viteză

Breviar de calcul pentru un schimbator de caldura cu placi Page 11

d – diametrul interior / diametrul echivalent hidraulic (m)

Pentru schimbătorul de căldură cu placi, vom calcula numai pierderile de sarcina locale.

Pentru a afla suma pierderilor locale se calculeaza cu formula : p

inmultind cu

numarul de repetari. Numarul de repetari = numarul de grofe de la placa aleasa x numarul de

treceri.

Numarul de grofe la placa aleasa V20 = 30 grofe, iar numarul de treceri n=11.

Se calculeaza ζ care este coeficientul de rezistenta locala care depinde de forma

geometrica si de numarul Reynolds.

p

p p

p

p p