REGENERATOARE DE CALDURA

OPERATII UNITARE IN INDUSTRIA ALIMENTARA

REGENERATOARE DE CALDURA.

DIMENSIONARE TERMICA SI GEOMETRICA.

Coordonator: Student :

An universitar :

2011-2012

CUPRINS

Cap ITipuri constructive de schimbatoare de caldura

1

Cap IISchimbatoare de caldura regeneratoare

2

2.1.Clasificarea schimbatoarelor de caldura regeneratoare2

2.2.Exemplu: Regenerator Cowper 4

2.3.Avantajele regeneratoarelor5

2.4.dezavantajele regeneratoarelor5

2.5.Avantaje si dezavantaje ale schimbatoarelor de caldura

6

Cap IIIParametrii de dimensionare termica si functionare 7

3.1.Etapele de proiectare.Moduri de curgere a fluidelor prin regenerator7

3.2.Ecuatii de baza ale regeneratoarelor de caldura10

3.3.Metode utilizate la calculul termic al regeneratoarelor

11

Cap IVAplicatie practica

13

Bibliografie19

REGENERATOARE DE CALDURA.

DIMENSIONARE TERMICA SI GEOMETRICA.

CAP I. TIPURI CONSTRUCTIVE DE

SCHIMBATOARE DE CALDURA

Schimbtoarele de cldur reprezint aparate care au drept scop transferul de cldur de la un fluid la altul n procese de nclzire, rcire, fierbere, condensare sau n alte procese termice n care sunt prezente dou sau mai multe fluide cu temperaturi diferite.

Clasificarea schimbtoarelor de cldur

Dup principiul de funcionare, schimbtoarele de cldur pot fi mprite n trei categorii: recuperatoare, regeneratoare sau prin amestec.

Fig. 4.1

CAP II. SCHIMBATOARE DE CALDURA

REGENERATOARE

n cele regeneratoare, aceeai suprafa de schimb de cldur este expus alternativ fluidului cald i rece, cldura preluat de la agentul cald fiind acumulat n pereii aparatului i cedat apoi agentului rece, cum sunt aparatele cu umplutur metalic sau ceramic.

Att recuperatoarele, ct i regeneratoarele sunt schimbtoare de cldur la care transferul se face indirect, prin intermediul unui perete (care are o anumit suprafa finit) i de aceea se mai numesc i schimbtoare de cldur de suprafa.

Acestea sunt schimbatoare de caldura la care supraf.de incalzire primeste si cedeaza caldura in mod periodic fara ca sa separe gazele de ardere de fluidul gazos care se reincalzeste.

ntr-o instalaie DA, de exemplu, schimbtorul de cldur motorin-iei nu se numete nici prenclzitor de iei nici rcitor de motorin, ci schimbtor de cldur propriu-zis sau regenerator, pentru c ambele procese de transfer de cldur sunt importante. Prin prenclzirea ieiului se urmrete reducerea consumului de combustibil la cuptor, iar prin rcirea motorinei se urmrete reducerea ulterioar a consumului de agent de rcire, pentru realizarea temperaturii de depozitare. Un rcitor de motorin cu aer, de exemplu, nu este un nclzitor de aer, pentru c scopul transferului de cldur corespunztor nu este nclzirea aerului atmosferic. Schimbtorul motorin-iei este un regenerator de cldur, pentru c el realizeaz, pe circuitul iei-produse, o recirculare de cldur din avalul n amontele sursei calde (gazele de ardere din cuptor)

2.1.Clasificarea regeneratoarelor de calduraRegeneratoarele se clasifica dupa 3 criterii :

a)dupa modul de functionare:

regeneratoare cu functionare continua

regeneratoare cu functionare intermitenta.

b)dupa materialulu din care sunt confectionate:

regeneratoare metalice

regeneratoare ceramice

c)dupa tipul constructiv:

cu functionare continua: regen.cu umplutura metalica sau ceramica

rotativa,cu pat mobil, cu pat fluidizat in miscare, cu aerosol.

cu functionare intermitenta: au umplutura fixa realizata in exclusivitate din material ceramic.:regeneratoare cu umplutura din caramizi normalizate si fasonate.

Cea mai larga aplicabilitate o au urmatoarele regeneratoare:

regeneratoare metalice rotative la cazane,cuptoare ,in ind.prelucrari titei,instal.cu turbine cu gaze.

Regeneratoare cu functionalitate intermitenta ce au umplutura fixa la cuptoare Siemens,cuptoare pt. topitea sticlei,furnale.

Regeneratoare cu functionalitate continua avand pat mobil cu bile ce pot furniza aer preincalzit(1750C)

n regeneratoare rotative matricea se roteste continuu prin intermediul a doua contra-curge fluxuri de lichid. n acest fel, cele dou fluxuri sunt n mare parte separate, dar sigiliile nu sunt, n general, perfecte. Doar un singur flux curge prin fiecare seciune de matrice la un moment dat, ns, pe parcursul unei rotaii, ambele fluxuri curge n cele din urm, prin toate seciunile de matrice n succesiune. Fiecare parte din matrice va fi aproape izoterma , deoarece rotaie este perpendicular att gradientul de temperatur i de direcia de curgere, i nu prin ele. Cele dou fluxuri de lichid curge contra-curent. Temperaturile lichid variaz n funcie de zona de debit, cu toate acestea, temperaturile locale Stream nu sunt o funcie de timp.

ntr-o matrice regenerator fix, un flux de fluid are un singur flux ciclic, reversibil, se spune sa curga "contra-curent". Acest regenerator poate fi parte a unei valve sistem, cum ar fi un motor Stirling . ntr-o alt configuraie, lichidul este evacuat prin valvele de matrici diferite, n perioade de operare alternativ Ph i PC, ducand la temperaturi de ieire care variaz cu timpul.

Un alt tip de regenerare este numit o scar micro-schimbtor de cldur de regenerare. Ea are o structur multistrat grilaj, n care fiecare strat este compensat de strat adiacent cu o jumtate de celul, care are o deschidere de-a lungul ambelor axe perpendiculare pe axa fluxului. Fiecare strat este o structur compozit de dou substraturi, unul dintr-un material de nalt conductivitate termic i o alta de un material sczut de conductivitate termic. Atunci cnd un lichid fierbinte curge prin celula, cldura de la lichidul este transferat n puuri de celule, i stocate acolo. Atunci cnd fluxul de lichid inverseaza directia, cldura este transferat de la peretii celulelor napoi la lichid.

Un al treilea tip de regenerare este numit "Rothemuhle" regenerator. Acest tip are o matrice fix ntr-o form de disc, i fluxurile de lichid sunt evacuate prin hote rotative. Regenerator Rothemuhle este folosit ca un preincalzitor de aer, n unele plante generatoare electrice.

2.2. Exemplu: regenerator Cowper

Regeneratoarele Cowper se folosesc n metalurgie, la prenclzirea aerului introdus n furnale. n furnal trebuie realizat o temperatur foarte nalt, necesar topirii fierului, ceea ce necesit ca aerul introdus n furnal s aib o temperatur ct mai ridicat, uzual 12001350C. nclzirea aerului se poate face recupernd cldura din gazele de furnal, care au la ieirea din furnal o temperatur foarte nalt, de 15501650C. Instalaia care asigur transferul cldurii de la gazele de furnal la aerul care va fi introdus n furnal trebuie s reziste la aceste temperaturi mari i trebuie s poat asigura debite de aer mari. Aceste schimbtoare de cldur se construiesc sub forma unor turnuri umplute cu crmizi refractare, amplasate decalat, cu spaii ntre ele, prin care circul gazele, respectiv aerul, Se pot folosi crmizi de form obinuit,] dar exist forme de crmizi mai eficiente, care reduc pierderile de presiune, deci energia consumat de suflantele care asigur circulaia fluidelor. Materialele folosite la crmizi au drept component principal alumina (Al2O3) sau forsterita (Mg2SiO4).

La fiecare furnal exist cel puin dou turnuri, dar de obicei mai multe. Prin unul din ele circul gazele de furnal i nclzesc umplutura, iar prin cellalt, deja cald, circul aerul, care se nclzete de la umplutur. Cnd temperatura turnului nclzit crete suficient, iar cea a turnului care nclzete a sczut, se comut funcionarea turnurilor, cel care a fost nclzit de gaze devine nclzitor de aer, iar cel care a nclzit aerul va fi nclzit de gazele de furnal.

Exemplu de instalaie de furnal cu cinci regeneratoare Cowper.

2.3. Avantajele regeneratoarelor

Avantajele unui regenerator este faptul c are o suprafa mult mai mare pentru un volum dat, care prevede un volum redus de densitate de energie dat, eficiena i cderea de presiune. Acest lucru il face un regenerator mai economic n ceea ce privete materialele de producie, comparativ cu un recuperator echivalent.

Designul de anteturi de intrare i de ieire utilizate pentru a distribui fluidele calde i reci n matricea este mult mai simpl n regeneratoare flux dect recuperatoare. Motivul din spatele acestei este c att fluxul de fluxuri n seciuni diferite, pentru un regenerator rotativ este ca un lichid intr i las o matrice la un moment dat ntr-un regenerator matrice - fix. n plus, sectoarele de flux pentru fluide calde i reci n regeneratoare rotative pot fi proiectate pentru a optimiza scderea presiunii n fluide. Suprafeele de matrice ale regeneratoare au, de asemenea auto-curatare caracteristici, reducerea parte-lichid, ancrasarea i coroziune. n cele din urm proprieti, cum ar fi densitatea de suprafa mic i contra-flux aranjament de regeneratoare o face ideala pentru aplicaii de gaz-gaz de schimb de cldur care necesit o eficacitate de peste 85%. Coeficientul de transfer termic este mult mai mic pentru gaze dect pentru lichide, astfel suprafaa enorma ntr-un regenerator crete foarte mult transferul de caldura.

2.4. Dezavantaje ale regeneratoarelor

Dezavantajul major al unui regenerator este c nu exist ntotdeauna o amestecare a fluxurilor fluide, i ele nu pot fi complet separate . Exist o reportare inevitabila de o mica parte a fluxului de lichid una n cealalt. n regeneratorul rotativ, lichidul reportat este prins n interiorul sigiliului radial i n matrice, i ntr-o matrice regenerator-fixa, lichidul de report este lichid care rmne n volumul gol al matricei. Aceast mic parte se va amesteca cu fluxul n urmtorul jumtate de ciclu. Prin urmare, regeneratoare sunt folosite doar atunci cnd este acceptabil pentru cele dou fluxuri de fluide pentru a fi amestecate

Fig. 4.4

Dup felul proceselor pe care le suport agenii termici avem aparate fr schimbarea strii de agregare, dar i aparate la cere unul din ageni i schimb starea de agregare la trecerea prin schimbtor (se vaporizeaz sau condenseaz)

Dup felul suprafeei de schimb de cldur avem schimbtoare cu evi (tubulare), cu plci sau cu lamele (fig. 4.6), cu serpentine (adic evi sau plci spirale ca n fig. 4.7), sau cu suprafee extinse (cu nervuri, cu proeminene aciculare, cu promotori de turbulen, etc. fig. 4.8)

2.5. Avantaje si dezavantaje ale schimbatoarelor de caldura

Fiecare din aceste tipuri de schimbtoare are avantaje i dezavantaje. Sunt foarte puine cazurile n care un schimbtor ndeplinete simultan cele trei deziderate: eficien termic ridicat, cost redus i grad de compactitate ridicat. De obicei una din aceste caliti nu se poate realiza dect n detrimentul celorlalte dou, iar proiectarea, realizarea i testarea de noi schimbtoare are ca scop depistarea celor mai bune soluii pentru un anumit caz particular ntlnit n practic

Fig. 4.6

CAP III. PARAMETRII DE DIMENSIONARE TERMICA

SI FUNCTIONARE

3.1. Etapele de proiectare. Moduri de curgere a fluidelor prin regenerator

Proiectarea complet a unui schimbtor de cldur cuprinde urmtoarele etape:

calculul termic i hidrodinamic

calculul mecanic (de rezisten)

realizarea proiectului de execuie

Calculul termic urmrete determinarea suprafeei de schimb de cldur i a modului de dispunere a acesteia n spaiu pentru realizarea unei sarcini termice impuse, pentru anumite debite i temperaturi ale fluidelor de lucru. Calculul hidrodinamic coreleaz aceste elemente cu pierderile de presiune admise i cu energia de pompare a agenilor termici, stabilind n final puterea necesar pompei de ap i a ventilatorului de aer.

Calculul mecanic alege soluia constructiv, lund n considerare regimul de lucru, temperaturile i presiunile de funcionare, caracteristicile de coroziune ale fluidelor, compensarea dilatrilor relative i a eforturilor termice care pot s apar, precum i legtura schimbtorului cu alte echipamente.

Proiectul de execuie finalizeaz calculele precedente i elaboreaz documentaia de fabricaie a unui aparat cu pre de cost ct mai sczut n condiii de calitate i fiabilitate impuse de beneficiar.

n plus, n exploatare, schimbtoarele de cldur sunt supuse periodic unei analize a performanelor de funcionare, adic dup efectuarea unor msurtori specifice se trece la determinarea unor indici privind calitatea transferului cldurii i a pierderilor de cldur n mediul ambiant. n urma acestor analize se adopt msurile cele mai potrivite de ameliorare a funcionrii schimbtorului de cldur.

n continuare vom prezenta n principal calculul termic al schimbtorului, deoarece calculul de verificare, respectiv calcularea diverselor regimuri de funcionare se bazeaz pe calculul termic de proiectare i sunt de fapt variante oarecum inverse, iterative ale acestuia.

Un criteriu important n ceea ce privete algoritmul i relaiile de calcul ce trebuie utilizate l reprezint sensul relativ de curgere a celor doi ageni termici prin schimbtor. Din acest punct de vedere se deosebesc 4 scheme de curgere a fluidelor prin schimbtor, evideniate n fig. 4.9:

a) curgere n echicurent, cnd ambele fluide parcurg aparatul n aceeai direcie i sens

b) curgere n contracurent, cnd fluidele au aceeai direcie, dar sensuri opuse de curgere prin aparat

c) curgere n curent ncruciat simplu, cnd unul dintre fluide curge perpendicular pe direcia de curgere a celuilalt

d) curgere n curent mixt, cnd unul dintre fluide schimb de mai multe ori direcia i sensul de curgere fa de cellalt fluid; acest mod de curgere reprezint combinaii diverse ale primelor 3 scheme de baz (a, b c), n figur fiind prezentate doar 3 din aceste multe combinaii posibile (d1, d2, d3)

Fig. 4.9.

n schemele de curgere transversal sau n schemele de curgere mixt care include i curgere transversal se deosebesc trei cazuri. n primul caz, fiecare din cele dou fluide sunt amestecate, respectiv ntregul debit de agent cald sau rece curge prin cte un singur canal, astfel nct temperatura fluidului amestecat este uniform n seciunea transversal a canalului i nu se modific dect n direcia de curgere (fig. 4.10.a). n al doilea caz unul din fluide este amestecat, iar cellalt este neamestecat, pentru cel neamestecat debitul mprindu-se ntre canale paralele, ntre care, datorit transferului de cldur, temperatura difer (fig. 4.10.b). n cel de-al treilea caz, cele dou fluide sunt neamestecate, att agentul cald, ct i agentul rece curgnd prin canale paralele (fig.4.10.c). Distribuia temperaturilor ntre canalele paralele nu este uniform, fiind mai ridicat la o extremitate i mai cobort la cealalt.

Fig. 4.10

3.2. Ecuaiile de baz ale regeneratoarelor de cldur

Calculul termic al schimbtoarelor de cldur de suprafa se bazeaz pe urmtoarele dou ecuaii principiale:

- ecuaia de bilan termic:

ecuaia de transmitere a cldurii:

n care:

Diferena medie de temperatur (tmed se determin n mod diferit pentru aparatele cu curgere paralel (n echicurent i contracurent) si pentru aparatele cu curgere neparalel (n curent ncruciat sau n curent mixt). Acest diferen medie de temperatur pentru aparatul cu curgere ncruciat este egal cu cel al aparatului n contracurent (la aceleai temperaturi de intrare i ieire), nmulit cu un coeficient specific schimbtorului dat.

Aparatele n echicurent i contracurent. n fig 4.12 se prezint diagramele de temperatur pentru aparatele cu curgere paralel, i anume n echicurent (a), respectiv contracurent (b).

Fig. 4.12.

Se consider n continuare aparatul n contracurent pentru care vom stabilii expresia diferenei medii de temperatur.

n fiecare seciune transversal de curgere exist cte o singur temperatur medie pentru fiecare fluid, respectiv o singur valoare pentru diferena de temperatur (t.

3.3. Metode utilizate la calculul termic al schimbtoarelor

a) Aparatele cu curgere ncruciat sau mixt. Metoda factorului de corecie F

Pentru aceste aparate, cu o schem de curgere mai complicat, diferit de curgerea paralel n EC sau CC, diferena medie de temperatur se poate calcula cu relaia:

n care F este un factor de corecie subunitar cu care se nmulete diferena medie de temperatur a aparatului n contracurent, (tmed,CC considerat ca referin.

n aceste condiii, ecuaia 4.2 de transmitere a cldurii se poate rescrie astfel:

Factorul de corecie F se exprim prin relaii de forma:

F = f (P, R, schem de curgere)

n care mrimile P i R sunt de fapt rapoarte ntre intervale de temperaturi, i anume (vezi fig. 4.12):

Funciile au fost stabilite analitic sau experimental pentru diferite scheme de curgere i apoi reprezentate grafic , diagramele fiind disponibile n literatura de specialitate pentru o gam larg de tipuri de schimbtoare.

Metoda factorului de corecie F este util n calculul de proiectare, dar este dificil de aplicat n calculele de verificare sau de analiz a performanelor unui schimbtor a crui suprafa de schimb de cldur este dat.

Pentru toate aparatele, idiferent de schema de curgere, temperaturile medii t1 i t2 se pot stabili cu urmtoarele relaii aproximative:

Dac (t1 < (t2, adic rcirea agentului cald este mai mic dect nclzirea agentului rece:

Dac (t2 < (t1, adic rcirea agentului cald este mai mare dect nclzirea agentului rece:

Pentru aparatul n contracurent: se admite c fluidul rece are capacitatea termic minim, adic W2 = Wmin. Pe baza relaiilor 4.4 i 4.20 i cu notaiile din fig. 4.12b se poate scrie:

Temperatura de intrare a agentului cald t1 poate fi exprimat n funcie de (, cu ajutorul relaiei 4.37, i anume:

iar diferena de temperatur la intrarea n aparat este n consecin:

Diferena de temperatur la ieirea din aparat se obine prin rezolvarea ecuaiei bilanului termic n funcie de t1 i vom avea succesiv:

iar dac inem seama vom obine:

nlocuind ecuaiile n relaie vom avea:

iar n final obinem expresia de calcul pentru eficiena termic a aparatului n contracurent:

unde am notat numrul de uniti de transfer de cldur:

Relaia 4.45 a fost stabilit n ipoteza c fluidul rece are capacitatea Wmin, dar se poate arta c i dac pornim de la premisa c fluidul cald are capacitatea Wmin vom ajunge la exact aceeai relaie.

Pentru schema de curgere in echicurent printr-un raionament similar se ajunge la relaia:

Pentru schema de curgere n curent ncruciat cu ambele fluide neamestecate vom ajunge la expresia:

in care am notat:

Cap 4. Aplicatie practica

Date intrare :

-Pmp= 4800CP

-temperatura de intrare a agentului primar(apa dulce) T2=75C

-temperatura de iesire a agentului primar(apa dulce) T2=50C

-temperatura de intrare a agentului secundar(apa de mare) T1=15C

--temperatura de iesire a agentului secundar(apa de mare) T1=24C

Caracteristicile fizice ale apei de mare se considera ca cele ale apei dulci mai putin densitatea = 1024 kg/m

-suprafata de schimb este data de tevi de otel cu di/de=30/35

-schimbatorul de caldura va fi in contracurent randament = 98%

-lungimea tevii va fi de 2.5 m

4.1.1 Cantitatea de caldura cedata de inst. apa dulce a motorului este Qced=0,25Pmp=0,254800CP=1200CP

Avind in vedere ca 1CP=0,736KWDefinitie: 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=12000,7363600KJ=3179520KJh

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

Avind in vedere ca randamentul schimbului de caldura este 98% rezulta

Q primit=Q ced/ =3179520KJh/0,98=3244408KJh

4.1.3 Masele de agenti vehiculate prin instalatii sunt:

Avind in vedere ca caracteristicile apei dulci sunt aceleasi ca ale apei de mare mai putin densitatea rezulta apa dulce:

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

1=0,665W/mK

T2=75C

T2=50C

DT2= T2- T2=75C -50C =25C

Rezulta

T1=15C

T1=24C

DT1= T1- T1=24C -15C =9C

4.1.4 Adoptarea coeficientului global de schimb de caldura K

Se poate considera intre valorile 800 1200KJ/m2*h*grd

Se considera K=1200KJ/m2hgrd

4.1.5 Calculul diferentei medii logaritmice de caldura

4.1.6 Calcul suprafata totala de schimb de caldura

4.1.7 Lungimea tevilor L =2,5 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 eshichierEsichier =60

Calculam aria pe care se aseaza tevile necesare

Consideram t pasul dintre tevi t=1.22 de=1.2235=42,7

At=ntti=ntttsin=24042.742.7sin60mm2=378963=0,378963

Rezulta

4.1.10 Calculul diametrului interior al mantalei schimbatorului

Di=Dt+u=694+(6-8) =700

4.1.11 Calculul suprafetelor de trecere ale purtatorilor de caldura

St1 apa de mare

St2 apa dulce

4.1.12 Calculul vitezelor ale purtatorilor de caldura

w1,w2

Deoarece apa dulce 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 dulce

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

Consideram un schimbator de caldura

La curgerea transversal (figura 3.20) n care icanele n form de segment de cerc sunt

dispuse perpendicular pe axa evilor, seciunea liber de trecere transversal este

Pentru configuraia aleas a fasciculului de evi se calculeaz diametrul echivalent al

seciunii transversale de curgere a apei dulci peste fasciculul de evi:

Seciunea de curgere n manta se calculeaz cu relaia:

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

- s = pasul evilor, s = 0,0475

- de = diametrul tuburilor, de = 0,03

- Di = diametru interior manta, Di = 0,7

Coeficientul de trecere al caldurii Nusselt

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

c = factor de corecie care ine cont de influena variaiei proprietilor fizice ale

stratului limit asupra conveciei; se calculeaz difereniat, n funcie de natura fluidului

pentru lichide:

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 sau

canal, curgerea este turbulent i intervine pentru conducte scurte (l/d 15 in regim turbulent

L / d