Schimbator A

45

Click here to load reader

description

schimbator de caldura

Transcript of Schimbator A

Facultatea de Chimie Aplicata si Stiinta Materialelor

Specializare: Ingineria Produselor Alimentare

PROIECT OPERATII UNITARE Dimensionarea unui schimbator

de caldura Student:Savu Alexandra Grupa: CATB -2015-Contents

21.Tema proiectului

32. Generaliti

33. Clasificarea schimbtoarelor de cldur

74. Elemente de construcie ale schimbtoarelor de cldur

74.1 evi

74.1.1 evi speciale pentru mbuntirea transferului termic

94.2 Plcile tubulare

104.3 Mantaua

114.4 Capacele

115. Construcia schimbtoarelor de cldur

115.1 Schimbatoare de cldur cu placi

125.1.1 Schimbatoarele cu placi si garnituri demontabile

135.2.2. Schimbatoarele cu placi sudate

135.3.3 Schimbatoarele cu placi brazate

165.4.4 Schimbatoarele de caldura cu plac

165.2 Schimbtoare de cldur multitubulare

195.3 Schimbtoare de cldur cu evi coaxiale

205.4 Schimbtoare de cldur cu aripioare (baterii cu aripioare)

226. Etapele de calcul pentru dimensionarea schimtorului de caldur

226.1 Stabilirea proprietatilor fizice ale berii la temperatura medie intre alimentare si evacuare

236.2 Stabilirea proprietatilor fizice ale condensului rezultat din aburul de 1 atm

246.3 Bilanul termic al schimbtorului de cldur

246.4 Calculul preliminar al forei motrice (Fm)

257. Etapele de calcul pentru predimensionarea schimbtorului de cldur

257.1 Calculul coeficientului parial de transfer termic pentru fluidul care circula prin tevi

277.2 Calculul coeficientului parial de transfer termic pentru fluidul care circul printre evile schimbtorului

287.3 Calculul coeficientului total de transfer termic se determina cu formula:

298. Dimensionarea racordurilor schimbtorului de caldur

298.1 Dimensionarea racordurilor de alimentare/ieire pentru bere

298.2 Dimensionarea racordurilor intrare/iesire pentru abur

298.2.1 Racord iesire condens

308.2.1 Racord intrare abur

1.Tema proiectului

1. Sa se proiecteze un schimbator de caldura multitubular pentru incalzirea unui debit de 5kg/s bere de la 10 la 70 folosind abur saturat de 1 atm .Datele de proiectare sunt: - debitul de bere: G=5 kg/s amestec

- temperatura de intrare bere : 10C

- temperatura de iesire bere : 70C - agentul termic utilizat este aburul saturat de 1 atm

- schimbatorul de caldura utilizat este cel vertical

2. Generaliti 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.

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 un fluid 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 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.

3. Clasificarea schimbtoarelor de cldur

3.1 Dup principiul de funcionare, schimbtoarele de cldur pot fi mprite n trei categorii:

- recuperatoare,

- regeneratoare

- prin amestecn cele recuperatoare fluidul cald i cel rece circul simultan prin aparat, iar cldura este transferat printr-un perete care separ fluidele. Cele mai ntlnite schimbtoare de acest tip n industrie sunt generatoarele de abur, racitoare de ap (radiatoare), condesatoarele pentru diferite substane, etc.

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.

La schimbtoarele de amestec procesul de schimb de cldur se realizeaz prin contactul direct i amestecarea fluidului cald cu cel rece, rezultnd un singur fluid cu proprieti termice medii ntre cei doi ageni disponibili iniial. Schimbtoare de acest tip sunt turnurile de rcire, degazoarele, unele condensatoare, etc.

Dintre aceste trei tipuri de schimbtoare, cele de primul tip, adic recuperatoarele sunt cele mai rspndite. Ele se realizeaz ntr-o gam larg de soluii constructive, de la cel mai simplu aparat tip eav n eav, pn la uniti complexe, cu suprafee de schimb extinse la mii de metri ptrai. Dintre soluiile constructive cea mai des ntlnit n practic este cea cu evi n manta (fig. 1.1), care asigur o bun compactitate, poate rezova probleme de schimb de orice tip (nclziri / rciri, vaporizri, condensri), iar tehnologia de execuie pe care o reclam este destul de accesibil i relativ ieftin.

Fig. 1.1

O soluie constructiv deosebit este prezentat n fig. 1.2, unde prin montarea evilor de aduciune n interiorul altor evi nchise la capt se dubleaz suprafaa de schimb de cldur, fr ca gabaritul aparatului s creasc prea mult.

Fig. 1.2

3.2 Dup felul n care se desfoar procesul n timp, pot exista schimbtoare cu aciune continu (fig. 2.1 b, c) , la care schimbul de cldur se realizeaz la un regim termic permanent (sau stabilizat), i aparate cu aciune discontinu (fig. 2.1 a) la care transferul de cldur are loc intermitent (aparate acumulatoare, n care cldura este nmagazinat cnd este disponibil i livrat apoi la cerere) sau periodic (la aparatele regeneratoare care presupun trecerea succesiv a agenilor prin aparat).

Fig. 2.1

3.3 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).

3.4 Dup felul suprafeei de schimb de cldur avem schimbtoare cu evi (tubulare), cu plci sau cu lamele (fig. 4.1), cu serpentine (adic evi sau plci spirale ca n fig. 4.2), sau cu suprafee extinse (cu nervuri, cu proeminene aciculare, cu promotori de turbulen, etc. fig. 4.3)

Fig. 4.1

Fig. 4.2Fig. 4.3

3.5 Dupa modului n care curg cele dou fluide prin schimbtor exist schimbtoare:

-cu curgere paralel n echicurent;

-cu curgere paralel n contracurent;

-cu curgere ncruciat;

-cu curgere mixt.

Fig. 5.1

4. Elemente de construcie ale schimbtoarelor de cldur4.1 evi

n general evile sunt laminate i destinate special construciei schimbtoarelor de cldur. Cele mai utilizate materiale sunt:

-Oeluri pentru temperaturi medii sau joase;

-Cupru;

-Aliaje cupru-nichel n diferite compoziii (de exemplu 70/30 % sau 90/10 %);

-Aliaje cupru-aluminiu n diferite compoziii (de exemplu 93/7 % sau 91/9 %);

-Diferite tipuri de aliaje cu zinc, ntre 22 i 40 %;

-Oeluri inoxidabile;4.1.1 evi speciale pentru mbuntirea transferului termic

n figura 4.1 sunt reprezentateevi cu nervuri spiralate, care se utilizeaz n special la construcia vaporizatoarelor:

Fig. 4.1. evi cu nervuri spiralate[8] n figura 4.2. este prezentat oeav cu nervuri exterioare joase,realizate prin extrudare, din materialul de baz al evii. Dup extrudare, diametrul exterior al prilor lise ale evilor, este egal cu diametrul exterior al nervurilor, ceea ce permite o montare uoar n plcile tubulare. Pasul dintre nervuri este n mod uzual de (0,8..1,5) mm, iar nlimea nervurilor este de aproximativ (1-1,5) mm. Aceste evi pot s asigure un raport ntre suprafaa exterioar a evilor nervurate i suprafaa interioar a acestora, ceea ce reprezint o cretere semnificativ a suprafeei exterioare de transfer termic.

Fig. 4.2. eav cu nervuri joase, obinute prin extrudare [8] n figura 4.3. sunt prezentate cteva modele deevi cu nervuri interioare.Aceste evi se pot utiliza i la vaporizatoare i la condensatoare. Nervurile sunt realizate din eava de baz, ceea ce asigur un transfer termic foarte bun. Exist numeroase forme ale nervurilor i grade de rsucire. Fa de evile lise, coeficientul global de transfer termic crete mult datorit urmtoarelor efecte: creterea suprafeei de transfer termic; rotirea filmului de lichid, datorit rsucirii (nclinrii) nervurilor.

Fig. 4.3. evi cu nervuri interioare [8]n figura 4.4. sunt prezentate cteva tipuri deevi cu aripioare ondulate.Aceste evi se utilizeaz n special la construcia vaporizatoarelor. Pe eava de baz se monteaz prin sudare elicoidal, o band ondulat. Asemenea construcii se pot realiza pentru evi avnd diametre ntre (8-39) mm. nlimea nervurilor este de 9 mm, iar grosimea acestora variaz ntre 0,2-0.3 mm. Raportul dintre suprafaa exterioar i cea interioar este de 916.

Fig. 4.4. evi cu nervuri ondulate [8]4.2 Plcile tubulare Placile tubulare se utilizeaza pentru fixarea tevilor in fascicul si se monteaza la extremitatile mantalei. Daca este necesar, pentru sustinerea fasciculului de tevi se utilizeaza si suporti. Pentru realizarea placilor tubulare si a suportilor se pot utilizea urmatoarele materiale in functie de natura agentilor si agresivitatea acestora fata de aceste materiale:

- oteluri pentru agenti frigorifici, apa dulce sau agenti intermediari de racire fara saruri;- 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 de regula hexagoane (sau triunghiuri eliciodale). Uneori gaurile, respectiv tevile se dispun in forma de coridor (sau patrate), iar uneori in forma de cercuri concentrice, ca in figura 3.15, 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 montari usoare a tevilor in fascicul prin placile tubulare si suporti, gaurile din acestea se realizeaza simultan, (toate odata).Fig. 2.1 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 de aproximativ 1,25 diametrul exterior al tevilor. Gaurile din placile tubulare se finiseaza in mod diferit, in functie de procesul tehnologic de montare a tevilor. Astfel pentru tevile sudate electric sau brazate se realizeaza o alezare urmata de samfrenare, iar pentru tevile mandrinate se realizeaza o alezare urmata de realizarea unor canale interioare, asa cum se observa in figura 2.2 Mandrinarea se ralizeaza astfel incat in urma deformarii tevilor, acestea sa se fixeze in canalele prevazute in gaurile de fixare.

Fig. 2.2 Procedeele uzuale de fixare a tevilor in placile tubulare

4.3 Mantaua Mantaua schimbatoarelor de caldura multitubulare se calculeaza astfel incat sa aiba un diametru interior care sa permita montarea fasciculului de tevi. Grosimea mantalei se determina din calculul de rezistenta, astfel incat sa reziste la presiunea de lucru a agentului dintre tevi si manta (minim 4 bar). Materialul din care se realizeaza mantalele este otelul. Pana la diametre de cca. 400 mm, acestea se realizeaza din tevi avand diametrele standardizate. Pentru diametre mai mari, mantalele se realizeaza din virole obtinute prin roluire. Sudurile prin care se realizeaza asamblarea virolelor in manta, trebuie controlate prin metode defectoscopice nedistructive (cel mai adesea raze g ). Dupa montare schimbatoarele de caldura multitubulare sunt supuse unor probe hidraulice de etansitate la presiuni ceva mai mari decat cele nominale.

4.4 Capacele

Capacele au rolul de a realiza circulatia agentului din interiorul tevilor. Sicanele montate pe capace asigura numarul de drumuri prin interiorul tevilor, astfel incat sa se realizeze 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 dimensiuni mari, capacele sunt demontabile pentru a permite curatarea interioara a tevilor, iar fixarea capacelor se realizeaza prin suruburi pe flansele prevazute in acest scop la exteriorul placilor tubulare. Capacele se realizeaza prin turnare, cel mai adesea din fonta.

5. Construcia schimbtoarelor de cldur

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

- schimbtoare de cldur cu plci; - schimbtoare de cldur multitubulare; - schimbtoare de cldur cu evi coaxiale; - schimbtoare de cldur cu aripioare.5.1 Schimbatoare de cldur cu placi Exista patru variante tehnologice de realizare a schimbatoarelor de caldura cu placi:

1.cu placi si garniture demontabile ;2.cu placi sudate;3.cu placi brazate;4.cu placi avind circuite imprimate.

5.1.1 Schimbatoarele cu placi si garnituri demontabile sunt de tipul prezentat in figura 1. 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 se realizeaza cu ajutorul unor tiranti. Din punct de vedere hidraulic se pot realiza curgeri in contracurent sau in echicurent.

Fig. 1.1 Schimbator de caldura cu placi si garnituri demontabile

In figura 1.2. este prezentata schema de curgere a agentilor de lucru intr-un schimbator de caldura cu placi. Materialele din care se realizeaza placile depind de natura agentilor de lucru, iar cele mai utilizate sunt:

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

Fig. 1.2. Schema de curgere in schimbatoarele caldura cu placi

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 de temperaturile de lucru:

- 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 diferenta maxima dintre presiunile circuitelor poate sa ajunga pana la 912 bar si in mod exceptional la 20 bar. 5.2.2. Schimbatoarele cu placi sudate au placile asamblate nedemontabil prin sudare.

Din aceasta categorie fac parte:

a) 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 frigorific care vaporizeaza;

b)schimbatoarele de caldura realizate din placi ambutisate si sudate ca in figura 1.3, 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 de temperaturi intre care pot sa lucreze este de 200+200 C.

Fig. 1.3. Schimbatoare de caldura din placi sudate

5.3.3 Schimbatoarele cu placi brazate sunt realizate cu placi din otel inoxidabil asamblate prin brazare (lipire) cu ajutorul unui aliaj pe baza de cupru, in cuptoare sub vid. Ansamblul schimbatoarelor de caldura de acest tip este prezentat in figura 1.4 si figura 1.5. Se pot utiliza ca vaporizatoare sau ca schimbatoare interne de caldura, dar numai pentru agenti curati, deoarece nu se pot curata decat prin spalare chimica.

Compactitatea acestor aparate este foarte mare si de aceea acest tip de schimbatoare de caldura cu placi sunt considerate cele mai bune din categoria aceasta a schimbatoarelor de caldura.

Fig. 1.4. Schimbator de caldura din placi brazate

care poate functiona ca vaporizator sau condensator

Figura 1.5. Schimbatoare de caldura din placi brazate de diferite dimensiuni

Schimbtorul de cldur poate fi cu plci de tipul L sau H asa cum se vede in figura 6.Plcile de tip H au un unghi de dispunere mai mare dect cele de tipul L. Plcile de tip H sunt mai adecvate pentru anumite temperaturi dect cele de tip L. Schimbtoarele de cldur cu plci de tip H au o capacitate mai bun de nclzire, dar i un nivel mai mare de pierderi de presiune.Setul de plci poate fi i o combinaie a acestor dou tipuri. Dac una din dou plci este o plac H, iar plcile L sunt intercalate din dou n dou,combinatia este de tipul M.

Figura1. 6.Tipuri de placi ale schimbatoarelor de caldura cu placi brazate

Aceste schimbtoarele sunt realizate din plci presate i brazate, ntre care se realizeaz canalele de circulaie a fluidului. Turbulena mare i circulaia n contracurent asigur eficiena transferului de cldur. Scopul schimbtorului de cldur este

transmiterea cldurii de la circuitul primar la cel secundar prin intermediul unor plci i mpiedicarea amestecului fluidelor din cele dou circuite. Alegerea schimbtorului de cldur depinde de sarcina termic, de temperaturile necesare i de pierderile de presiune permise.

Schimbtoarele de cldur cu 2 treceri, cele mai des utilizate, trebuie alese pentru prepararea apei calde menajere. Schimbtoarele de cldur cu 2 treceri vor rci frecvent apa din sistemul de termoficare sub 25 C. Aceast capacitate poate fi atins prin utilizarea unei mari diferene de temperatur, unui volum mai redus de ap, precum i cu un schimbtor de cldur cu o suprafa optim de transfer al caldurii, asa cum se vede in figura 1.7.

Figura 1.7.Schema de functionare a schimbatoarelor de caldura cu placi brazate

si cu 2 treceri

Se recomand montarea schimbtoarelor de cldur cu baza n jos, n poziie vertical. Astfel se asigur ventilarea maxim i reducerea mirosurilor neplcute. Se recomand ca toate conductele racordate la schimbtorul de cldura s fie prevzute cu robinete de nchidere pentru a facilita operaiunile de ntreinere. Conductele trebuie prevzute cu suporturi pentru a mpiedica acumularea tensiunilor de rsucire n racordurile schimbtorului de cldur.

Cei ce monteaza asemenea dispozitive recomand ca schimbtorul de cldur s fie prevazut cu izolatie

Schema de curgere a fluidelor in schimbatoarele de caldura brazate este prezentata in figura1.8.

Fig.1.8 Schema de curgere a fluidelor in schimbatoarele cu placi brazate

5.4.4 Schimbatoarele de caldura cu placi avand circuite imprimate sunt realizate din placi metalice plane, avand gravate pe suprafata circuite fine (cca. 1 mm), prin metode chimice.

Placile sunt asamblate in blocuri prin incalzire si presare, procedeu denumit 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 si vaporizatoare foarte compacte.

In prezent aceste tipuri de aparate sunt in curs de perfectionare in special in Australia si Marea Britanie.

5.2 Schimbtoare de cldur multitubulare

Aceste aparate sunt construite in principiu dintr-un fascicul de tevi, montate in doua placi tubulare si inchise intr-o manta prevazuta cu capace, asa cum se observa in figura 2.1 .

Fig. 2.1. Schema functionala a unui schimbator de caldura multitubular

Pri componente:

-tronsoanele schimbtorului delimitate de flni;

-curbele de legtur dintre tronsoane;

-compensatorii de dilataie;

-tuurile de legtur dintre tronsoane prin care circul agentul termic carescald fasciculul de evi;

-aparatele de msur i control (termometre i manometre);

-supape de siguran cu contragreutate;

-distaniere;

-izolaie schimbtorului compus din vat mineral i glet de ipsos;

-vanele: cele patru vane (dou de intrare ieire agent primar i dou de ---intrare ieire agent secundar);

-robinet de golire

In general tevile sunt laminate si destinate special constructiei schimbatoarelor de caldura. 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 asigura un transfer termic mai intens si constructii mai compacte, dar se vor avea in vedere si aspectele 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 nu numai, in care se utilizeaza tevi speciale pentru imbunatatirea conditiilor de transfer termic. In constructie clasica un astfel de aparat este construit dintr-un fascicol de tevi, fixat la capete in orificiile a doua discuri metalice, denumite placi tubulare dupa cum se vede in Figura 2.2.

Figura 2.2 Schimbator de caldura multitubular Fascicolul de tevi este inchis intr-o manta cilindrica, prevazuta cu racorduri de intrare si de iesire a fluidului. Se creaza astfel doua spatii de circulatie pentru cele doua fluide: un spatiu in interiorul tevilor, denumit spatial tubular sau intratubular si un spatiu intre manta si exteriorul tevilor, denumit spatiulintertubular. Spatiul tubular este inchis de doua capace prevazute, fiecare, cu cate unracord. Spatiul dintre placile tubulare si capace formeaza camera de distributie, respective camera de colectare a fluidului care circula prin tevi. Dispunere tevilor pe placa tubulara se poate face pe hexagoane sau cercuri concentric.

Fixarea tevilor in placa tubulara se realizeaza prin mandrinare sau prin sudare.Placile tubulare se fixeaza de manta prin prindere cu suruburi intre doua flanse sau prin sudarea lor directa pe manta .

Principalele dimensiuni tehnologice ale unui schimbator de caldura multitubular sunt

diametrul si inaltimea (lungimea). Diametrul schimbatorului, D, depinde de numarul de tevi iar inaltimea sau lungimea sa depinde de lungimea tevilor, l. Se constata ca apar trei marimi necunoscute:numarul de tevi, diametrul si lungimea tevilor. Doua dintre aceste marimi se adopta iar cea de-a treia se poate calculeaza.Diametrul tevilor se adopta in functie de fluidul care trece prin tevi. Daca prin tevi circula un lichid se recomanda ca diametrul interior al tevilor sa fie cuprins intre 15-30 mm iar daca prin tevi circula un gaz sau vapori se adopta diametrul in jur de 50 mm. Cea de-a doua marime care se adopta depinde de modul incare se realizeaza schimbul de caldura intre fluidele care circula prin schimbator. Din acest punct de vedere exista doua situatii distincte:

- cand cel putin unul dintre fluide nu isi modifica starea de agregare in schimbator;

- cand ambele fluide isi modifica starea de agregare in schimbator.

Diametrul schimbatorului se determina in functie de numarul de tevi, de pasul, t,(distanta dintre doua tevi adiacente) si de modul de amplasare al tevilor pe placa tubulara(hexagoane sau cercuri concentrice). Daca hexagonul sau cercul exterior nu este complet,determinarea diametrului se face grafic. Pentru schimbatoarele la care toate hexagoanele sau cercurile sunt complete, diametrul se poate determina prin calcul. Lungimea tevilor schimbatoarelor multitubulare nu trebuie sa depaseasca 6 m. Daca lungimea tevilor care rezulta din calcule este mai mare, se folosesc diferite variante constructive de schimbatoare cu tevi. O astfel de varianta este si schimbatorul de caldura cu mai multe mersuri. In acest schimbator fluidul care circula prin tevi parcurge spatiul tubular de mai multe ori, intr-un sens si in sensul opus. Dirijarea fluidului printr-o fractiune din numarul total al tevilor se face cu ajutorul unor pereti despartitori etansi din capacele schimbatorului.

In figura 2.3 este prezentat un schimbator cu patru mersuri.

Figura 2.3 Schimbator de caldura cu patru mersuri

Numarul de mersuri nu poate fi prea mare, deoarece cresterea numarului de tevi pe placile tubulare duce la cresterea diametrului mantalei si implicit a sectiunii de curgere prin spatial intertubular, ceea ce conduce la scaderea vitezei, cu consecinte nefavorabile asupra valorii coeficientului individual de transfer de caldura.

Pentru imbunatatirea transferului de caldura intre fluidul care circula prin manta si tevile fasciculului se monteaza, in spatial intertubular, sicane transversale sau elicoidale. Acestea dirijeaza fluidul perpendicular pe tevi, ceea ce imbunatateste transferul de caldura.

Daca lungimea calculata a tevilor este prea mare astfel incat ar rezulta un numar inacceptabil de mare de mersuri, se folosesc mai multe schimbatoare de caldura cu un singur mers, legate in serie,intocmai ca si schimbatoarele de caldura cu tevi coaxiale .

5.3 Schimbtoare de cldur cu evi coaxiale

Aceste schimbatoare sunt alcatuite din mai multe elemente identice legate in serie.Un element este format din doua tevi concentrice, teava exterioara fiind inchisa la capete siprevazuta, la capete, cu doua racorduri pentru intrarea si iesirea unuia dintre fluidele carecircula prin schimbator.

Asamblarea elementelor se poate face prin legaturi fixe (sudare)sau prin legaturi demontabile utilizand: flanse, mufe, piulite olandeze, s.a. (fig.3.1).

Dimensionarea acestor schimbatoare presupune calculul numarului de elemente, ne, din suprafata de transfer de caldura.Lungimea unui element, le, se adopta iar diametrul tevii interioare, d, se determina din ecuatia debitului de fluid care circula prin tevile interioare.

Viteza fluidului necesara se calculeaza din valoarea adoptata a

criteriului Reynolds.

Flu Atunci cand numarul de elemente este mare, acestea se pot amplasa pe mai multe randuri.

Aceste schimbatoare au avantajul ca sunt foarte simple, au o buna rezistenta la presiuni ridicate si ca suprafata lor poate fi modificata in functie de necesitati marind sau micsorand numarul de elemente. Totusi aceste schimbatoare sunt recomandate pentru debite mici de fluid, deoarece au dimensiuni de gabarit mari.

Fluid 2

Fluid 2 Figura 3.1 Schimbatoare de caldura cu tevi coaxial

5.4 Schimbtoare de cldur cu aripioare (baterii cu aripioare)

Bateriile cu aripioare se utilizeaza atat pentru constructia condensatoarelor racite cu aer cat si pentru cea a vaporizatoarelor racitoare de aer si sunt realizate din tevi pe care se monteaza aripioarele. Constructiile rezultate sunt de tipul celor prezentate in figura 4.1.

Fig. 4.1 Baterie cu aripioare

In figura 4.2 sunt prezentate cateva detalii constructive ale bateriilor cu aripioare.

Fig. 4.2 Detalii constructive ale bateriilor cu aripioare

Parametrii fizici care se por defini in vederea efectuarii calculelor termice si aerodinamice 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 de acoperiri:

- galvanizare utilizata in cazul tevilor si nervurilor din otel in vederea protejarii impotriva ruginirii prin acoperire cu zinc si a asigurarii unui contact termic foarte bun;- ematare utilizata in cazul tevilor si nervurilor din cupru,pentru acoperirea acestora cu rasini poliuretanice.

Dupa montare, bateriile sunt supuse unor probe hidraulice de etanseitate, apoi sunt uscate si deshidratate, incarcate cu azot la presiune scazuta, inchise si pastrate in vederea livrarii.Alte tipuri de serpentine sunt cele prezentate in figurile 4.3 si 4.4

Fig. 4.3 Serpentine pentru realizarea de congelatoare cu placi

Fig. 4.4. Serpentine montate intr-un schimbator de caldura de tip panou

ntr-o societate intr-o continua evoluie i orientare spre eficien energetic din ce in ce mai ridicata n toate domeniile, putem observa ca un rol important n funcionarea tehnologiilor de acest tip l ocupa schimbatoarele de cldur, prin intermediul acestora realizndu-se recuperarea cldurii din diferite procese i reutilizarea ei n altele, astfel obinndu-se economii de energie.

6. Etapele de calcul pentru dimensionarea schimtorului de caldur6.1 Stabilirea proprietatilor fizice ale berii la temperatura medie intre alimentare si evacuare: (Anexa 1) (rel.1) tm=40 C

(t1m)= 1031 - 0.0628 * t1m- 3.976 * 10-3 *tm2 kg/m3 (rel.2) (t1m)=1.022*103 kg/m3 (t1m)= (2.967 0.064* t1m + 4.388 * 10-4 * t1m 2) * 10-6 m2/s (rel.3) v(t1m)= 1.109 * 10-6 m2/s c(t1m)=4061 + 0.111* t1m + 0.018 * t1m 2 J/kg*grd (rel.4) c(t1m)= 4.094* 103 J/kg*grd (t1m)=0.541 + 1.749* 10-3* t1m 2 W/m*grd (rel.5) (t1m)=0.602 W/m*grd =v(t1m) * (t1m) kg/m*s (rel.6) = 1.134*10-3 kg/m*s 6.2 Stabilirea proprietatilor fizice ale condensului rezultat din aburul de 1 atm :

(Anexa2) a = 958 kg/m3 a = 0.284 * 10-3 kg/m*s ca =4220 j/kg*grd a = 0.505 W/m*grd ra=2*106 J/kg wa= a/ a (rel.7)

Wa=2.965 * 10-7

unde a densitatea aburului kg/m3 a - viscozitatea aburului kg/m*s

Ca- caldura specifica a aburului j/kg*grd

a - conductivitate termica a aburului W/m*grd

ra - caldura de vaporizare J/kg

6.3 Bilanul termic al schimbtorului de cldur debitul de agent termic necesar ( aburul ) Se stie ca debitul masic de bere este G1=5 kg/s si putem calcula debitul masic de abur cu formula

, unde ra este caldura de vaporizare (anexa 2);

EMBED Equation.3 t1) (t1) (rel.12) 106 w

Ga=0.614 kg/s Diferenta de temperatura se calculeaza cu formula:

t1=t1e-t1i

t1= 60C

6.4 Calculul preliminar al forei motrice (Fm) ta=100 C t1i=10 C(temperatura de intrarea a berii n schimbtorul de cldur) t1e=70 C(temperatura de ieire a berii n schimbtorul de cldur) Din diferentele de temperatura initiala si finala putem calcula diferenta de temperatura medie utilizand formula:

(rel.13)

tm= 55.614 C (Fm) 7. Etapele de calcul pentru predimensionarea schimbtorului de cldur - coeficientul de transfer termic total propus este k = 160 W/m2*grd - aria de transfer termic se calculeaza cu formula:

(rel.14) =1228 *106 W (rel. 15)tm=55.614 C A = 140.562 m2- conform ariei rezultate am extras din carte urmatorul tabel:

L , mDn (Di) mms mm mmd (dext) mmnr. tevi buc.A STAS, m2

2400-2201261143

Dn =diametrul interior al manalei;

s = grosimea mantalei;

= grosimea evii interioare;

di = diametrul interior al evii interioare;

dext = diametrul exterior al mantalei;

L = lungimea evii.

7.1 Calculul coeficientului parial de transfer termic pentru fluidul care circula prin tevi (Bere)L=2 m

dext=20* 10-3 m

=2*10-3 mn=1261 buc

di=dext-2*di=0.016 m Calculam debitul volumetric al amestecului cu formula :

(rel.16) Gv = 4.892* 10-3 m3/s iar aria totala se calculeaza cu :

(rel.17)

m2 (rel. 18)

w= 0.019 m/s Stabilim regimul de curgere cu criteriul Reynolds : (rel. 19)

Re = 278.341 Rezulta regim laminar unde Re < 2300 Criteriul Prandl se calculeaza cu ajutorul formulei :

(rel.20) Pr = 7.715 In functie de regimul de curgere, Nusselt se calculeaza astfel: (rel.21)

(rel.22) B=17.178 Nu = 4.537 - coeficientul de transfer termic pentru fluidul care circula prin tevi (Bere) se calculeaza cu formula : (rel.23) 1 = 170.592 W/m2*grd 7.2 Calculul coeficientului parial de transfer termic pentru fluidul care circul printre evile schimbtorului (Abur )

(rel. 24)

(rel. 25)

Rea = 3.43- coeficientul de transfer termic pentru fluidul care circula printre evile schimbtorului (Abur) se calculeaza cu formula:

(rel.26) 2 = 1.919*104 W/m2*grd7.3 Calculul coeficientului total de transfer termic se determina cu formula: (rel.27)1=coeficientul parial de transfer termic al fluidului care circul prin interiorul evilor, W/m2K

2= coeficientul parial de transfer termic al fluidului care circul prin exteriorul evilor, W/m2K

= grosimea peretelui evilor, m

p= conductivitatea termic a materialului din care sunt confecionate evile, W/mK

rcr1,rcr2= rezistene termice ale depunerilor

kc= 158.185 W/m2*grd Q=debitul de cldur, W

m2Aadar, valoarea ariei recalculate este A=123.175 m2

Verificarea condiiei0< 10=0.577 % 8. Dimensionarea racordurilor schimbtorului de caldur

8.1 Dimensionarea racordurilor de alimentare/ieire pentru bere

(presupunem viteza wr=0.5

(standardizam diametrul .r=2.5m

8.2 Dimensionarea racordurilor intrare/iesire pentru abur

8.2.1 Racord iesire condens

(presupunem viteza wr2=3 (standardizam diametrul

mm

8.2.1 Racord intrare abur

(propunem viteza wr3=25

d3=0.231 mm(standardizam diametrul mm2=2mmdinterior=dexterior2-2* 2dinterior=21 mm

Wrecalcul=0.921 m/s10. Anexe

4.Bibliografie

1. Octavian Floarea - Operatii si Utilaje in Industria Chimica (pentru subingineri),Editura DIDACTICA si PEDAGOGICA, Bucuresti 19802. Manualul Inginerului Chimist Editura Tehnica , Bucuresti 19723. C. F. Pavlov, P. G. Romankov, A. A. Noskov, ,,Procese i aparate n ingineria chimic - exerciii i probleme", Editura Tehnic, Bucureti, 19814. http://www.rasfoiesc.com/educatie/chimie/Proiect-Chimie-Aplicata-si-Sti23.php5. http://www.rory.ro/Catalog%201.pdf#page=856. Organologie schimbtoare de cldur pentru instalaii frigorifice i de condiionat aerul, ndrumar de practic, 7. http://www.mecanica.pub.ro/id62399/indrumare_62399/schimbatoare_de_caldura_pentru.pdfPAGE 31

_1494170516.unknown

_1494344623.dwg

_1494171024.unknown

_1494213087.unknown

_1494213534.unknown

_1494175735.unknown

_1494170757.unknown

_1494168792.unknown

_1494169657.unknown

_1397834342.unknown

_1398090395.unknown