Schimbator de Caldura Tubular

Universitatea de tiine Agricole a Banatului

Timioara

Schimbatoare de caldura

tubulare

Coordonator: Prof.Dr.Ing. Teodor Ioan TRASCA

Student: Rohlicek Andrei

Schimbatoare de caldura tubulare

1

I. Introducere

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.

II. Clasificarea schimbtoarelor de cldur

1.Dup principiul de funcionare, schimbtoarele de cldur pot fi mprite n trei

categorii:

- recuperatoare,

- regeneratoare

- prin amestec.

n 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

Universitatea de tiine Agricole a Banatului Timioara

2

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.

placa tubulara manta capac

sicane

tevi

t2', W2

t2"

t1'

W1

t1"

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.


3

Fig. 1.2

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

manta capac

placa

tubulara II

placa

tubulara I

t1"

t1', W1t2"

t2', W2

tevi interioaretevi exterioare

Fluid cald Fluid recea) b)

c)

t1'

t1"

t2'

t2"

t1'

t2"

t1"

t1'

umplutura

t1'

t2"

t1"

t2'


4

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).

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. 4.2 Fig. 4.3

5. Dupa modului n care curg cele dou fluide prin schimbtor exist schimbtoare

a) cu curgere paralel n echicurent;

b) cu curgere paralel n contracurent;

c) cu curgere ncruciat;


5

d) cu curgere mixt.

Fig. 5.1

III. Elemente de construcie ale schimbtoarelor de cldur

1.Tevi speciale pentru imbunatatirea transferului termic

In figura 1.1 sunt prezentate tevi cu nervuri spiralate, care se utilizeaza in special la constructia

vaporizatoarelor:

Fig. 1.1 Tevi cu nervuri spiralate

In figura 1.2 este prezentata o teava cu nervuri exterioare joase, realizate prin extrudare,

din materialul de baza al tevii. Dupa extrudare, diametrul exterior al partilor lise ale tevilor, este

egal cu diametrul exterior al nervurilor, ceea ce permite o montare usoara in placile tubulare.

Pasul dintre nervuri este in mod uzual de (0,81,5) mm, iar inaltimea nervurilor este de

aproximativ (11,5) mm. Aceste tevi pot sa asigure un raport intre suprafata exterioara a tevilor

nervurate si suprafata interioara a acestora de 35, ceea ce reprezinta o crestere semnificativa a

suprafetei exterioare de transfer termic.


6

Fig. 1.2 Teava cu

nervuri joase,

obtinute prin

extrudare

In figura 1.2 sunt prezentate cateva tipuri de tevi cu aripioare ondulate. Aceste tevi se

utilizeaza in special la constructia vaporizatoarelor. Pe teava de baza se monteaza prin sudare

elicoidala, o banda ondulata. Asemenea constructii se pot realiza pentru tevi avand diametre intre

(839) mm. Inaltimea nervurilor este de 9 mm, iar grosimea acestora variaza intre 0,20,3

mm. Raportul dintre suprafata exterioara si cea interioara este de 916.

In figura 1.3 este prezentata o teava cu nervuri in forma de ace. Acestea se utilizeaza in

special la constructia condensatoarelor. Exteriorul tevilor se aseamana cu o perie metlica, 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. 1.3 Teava cu nervuri aciforme

Fig. 1.2 Tevi cu nervuri ondulate


7

In figura 1.4 sunt prezentate cateva tevi cu miez in forma de stea, care se utilizeaza la

constructia vaporizatoarelor cu fierbere in interiorul tevilor. Suprafata interioara este marita prin

introducerea in tevi a miezurilor realizate din aluminiu si avand uzual cinci sau zece raze.

Problema tehnica a realizarii acestor tevi o reprezinta asigurarea contactului termic dintre teava

de baza si miez, realizat prin introducerea fortata a miezului. 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 5 raze si 3,7 in cazul miezurilor cu 10 raze.

Fig. 1.4 Tevi

cu miez in

forma de stea

In figura 1.5 sunt prezentate cateva modele de tevi cu nervuri interioare. Aceste tevi se

pot utiliza si la vaporizatoare si la condensatoare. Nervurile sunt realizate din teava de baza, 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 termic creste mult datorita

urmatoarelor efecte:

- cresterea suprafetei de transfer termic;

- drenajul prin capilaritate a fazei lichide, care formeaza un film subtire pe suprafata interioara

nervurata;

- rotirea filmului de lichid, datorita rasucirii (inclinarii) nervurilor.


8

Fig. 1.5 Tevi cu nervuri interoare

In figura 1.6 sunt prezentate doua tevi cu suprafata neregulata montate una in alta.

Asemenea tevi se pot utiliza eficient in constructia condensatoarelor si a vaporizatoarelor, sunt

foarte moderne si se produc in Japonia, SUA, Germania sau Franta. Suprafetele tevilor prezinta

diferite tipuri de cavitati, proeminente piramidale sau asperitati, realizate prin diverse procedee

tehnologice noi. Suprafetele neregulate ale acestor tevi pot intensifica transferul termic in cazul

schimbarii starii de agregare, pentru ca favorizeaza amorsarea fierberii, respectiv a condensarii.

Din acest motiv aceste tevi mai sunt numite si tevi de nucleatie.

Fig. 1.6 Tevi cu suprafete neregulate

In figura 1.7 este prezentata o teava din materiale compozite. Asemenea tevi se pot utiliza

si in condensatoare si in vaporizatoare, atunci cand conditiile de transfer termic sunt mediocre

atat in interior cat si in exteriorul tevilor. Aceste tevi combina avantajele nervurilor exterioare cu

cele ale generatoarelor interioare de turbulenta. Exista mai multe variante de asemenea tevi intre

care se pot aminti tevi cu nervuri elicoidale la interior si structura piramidala la exterior, sau tevi

cu nervuri elicoidale atat la interior cat si la exterior. Diametrele pentru care se produc asemenea

tevi sunt de 1019 mm, iar raportul dintre suprafata exterioara si cea interioara este de 1,52.


9

Fig. 1.7 Teava realizata din materiale composite

IV. 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 1.1 .

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 care scald

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

-

Fig. 1.1. Schema functionala a unui schimbator de caldura

multitubular


10

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 1.2 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,


11

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 1.3 este prezentat un schimbator cu patru mersuri.


12

Figura 1.3 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 .

V.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.

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


13

numarul de elemente. Totusi aceste schimbatoare sunt recomandate pentru debite mici de fluid,

deoarece au dimensiuni de gabarit mari.

Fluid 2

Fluid 2

Figura 2.1 Schimbatoare de caldura

cu tevi coaxial

VI. Bibliografie

1. Comportamentul termic al sistemelor si echipamentelor termice, Florin

Iordache;

2. Carte tehnica SCP Zimlet;

3. ro.wikipedia.org/wiki/Schimbator_de_caldura

4. www.danfoss.ro

5. www.viessmann.ro


14

VII. Cuprins

I.Introducere 1

II. Clasificarea schimbtoarelor de cldur

1

III. Elemente de construcie ale schimbtoarelor de cldur

5

IV. Schimbtoare de cldur multitubulare

9

V.Schimbtoare de cldur cu evi coaxiale 12

VI. Bibliografie

13

Schimbator de Caldura Tubular

Documents

Transcript of Schimbator de Caldura Tubular