Download - Schimbator tip 'teava in teava'

Transcript
Page 1: Schimbator tip 'teava in teava'

UNIVERSITTATEA AUREL VLAICU ARAD

FACULTATEA DE INGINERIE ALIMENTARA TURISM SI PROTECTIA

MEDIULUI

SPECIALIZAREA CONTROLUL SI EXPERTIZA PRODUSELOR

ALIMENTARE

 

  SCHIMBĂTORUL  DE  CĂLDURĂ

" ŢEAVĂ  ÎN  ŢEAVĂ"

                                     

                                      STUDENT: IVAN ADRIANA ELENA

CEPA AN III

2015

1

Page 2: Schimbator tip 'teava in teava'

Cuprins

      

       1.Schimbatoare de caldura

       2.Încalzirea- racirea în industria alimentara

3.Schimbatorul de caldura " teava în teava"

  3.1 Descrierea utilajului

  3.2 Instalatie din industria vinului

4.Calcule

  4.1 Bilant de materiale

  4.2 Bilant termic

 5.Bibliografie

2

Page 3: Schimbator tip 'teava in teava'

1. Schimbatoare de caldura

       

        Schimbatoarele de caldura repr 232f523c ezinta aparate care au drept scop

transferul de caldura de la un fluid la altul în procesul de încalzire, fierbere,

evaporare, condensare, racire sau în alte procese termice,în care sunt prezente doua

sau mai multe fluide cu temperaturi diferite.

        Instalatiile tehnologice, aparatele de schimb de caldura ocupa o pozitie

particulara, ele putând functiona ca organe principale, când constituie parti

determinate ale unor procese tehnologice sau ale unor procese exclusiv termice, fie

ca organe secundare, introduse în instalatii din motive de economie de caldura sau

de substanta. Alaturi de sistemul de conducte si de pompe, schimbul de caldura

necesita echipamente termomecanice cele mai numeroase din industrie.

        Realizarea instalatiilor tehnologice moderne nu poate fi conceputa fara

perfectionarea continua a proceselor si aparatelor de schimb de caldura.

Domeniile de utilizare de schimb de caldura sunt foarte variate, destinatiile

principale ale acestor aparate fiind urmatoarele:

-         schimb complex de caldura dintre gazele de ardere si apa-aburul din

generatoarele de abur;

-         transferul de caldura în cadrul proceselor de încalzire, racire,fierbere,

condensare sau alte procese speciale, practic din toate ramurile

industriale;

-         prepararea apei calde si fierbinti în sistemele de termoficare;

3

Page 4: Schimbator tip 'teava in teava'

-         evacuarea în atmosfera prin turnuri de racire a caldurii rezidule

rezultate din procesele industriale;

-         procesele complexe de recuperare a caldurii cu potential termic redus

pentru încalzire si scopuri tehnologice.

2. Încalzirea- racirea în industria alimentara

            În cadrul proceselor tehnologice din industria alimentara, transmiterea

caldurii este necesara pentru a modifica temperatura materiilor prime sau auxiliare

în vederea încalzirii sau racirii. În decursul operatiei de încalzire sau racire,

temperatura agentului termic poate fi variabila daca acesta nu îsi schimba starea de

agregare (gaze calde care se racesc, apa rece care se încalzeste) sau poate ramâne

constanta daca îsi schimba starea de agregare (abur care condenseaza, apa care

fierbe). Agentii termici uzuali folositi în industria alimentara sunt apa calda, aburul

saturant, apa rece si apa racita.

        Apa calda. Pâna la temperatura de 80°C, încalzirea cu apa calda se realizeaza

la presiunea atmosferica. În intervalul de temperatura (80...375)°C se utilizeaza apa

sub presiune, denumita impropriu apa supraîncalzita.

        Aburul saturant. Este cel mai uzual purtator de caldura din cauza avantajelor

pe care le prezinta:

-         caldura latenta masica de condensare mare pentru temperaturile

curente de încalzire;

4

Page 5: Schimbator tip 'teava in teava'

-         valori mari ale coeficientului partial de transfer de caldura;

-         temperatura purtatorului de caldura se mentine constanta;

-         este neinflamabil si netoxic;

-         cost suficient de redus pentru a nu se impune în toate cazurile

recuperarea si recircularea condensatului.

Aceste avantaje sunt pentru încalziri ce nu depasesc 150...200°C.

         Apa rece. Folosirea apei ca agent de racire se realizeaza în circuit

deschis  pentru debite mici si în circuit închis pentru debite de apa de racire mari .

        Apa racita. Este un agent de rpcire secundar utilizat pentru temperaturi de

racire mai mari de 4°C. Se utilizeaza în special la schimbatoarele de caldura cu

placi.

        Uluiuri minerale. Sunt folosite ca agent termic pentru temperaturi pâna la

300°C. Dezavantajele utilizarii uleiurilor: coeficient de transfer termic mic si

vâscozitate mare.

        Operatiile de încalzire si racire sunt utilizate în industria

 alimentara pentru:

        - a crea conditii pentru efectuerea unor transformari de catre microorganisme

(ex. fermentarea mustului);

        - a favoriza realizarea unor operatii tehnologice din schema bloc de obtinere a

produsului respectiv (ex. difuzia zaharului din sfecla de zahar);

5

Page 6: Schimbator tip 'teava in teava'

        - a trata termic unele materiiprime si auxiliare din procesul respectiv (ex. apa

necesara difuziei în industria zaharului trebuie sa aiba 45°C).

        Schimbatoarele de caldura pot fi componente ale unor instalatii complexe sau

pot functiona independent.

                

        3. Schimbatorul de caldura " teava în teava"

       3.1 Descrierea utilajului

                       

        Schimbatoarele de caldura "teava în teava" sunt incluse într-o grupa separata,

cu toate ca ele în realitate nu sunt decât schimbatoare de caldura simple, tubulare,

în care fasciculul de tevi se compune dintr-o singura teava. Alegând diametrul tevii

exterioare, se poate usor obtine la aceste schimbatoare de caldura o suprafata mica

a sectiunii transversale pentrul spatiul dintre tevi si se poate ajunge la viteze înalte

si la coeficienti mari de transfer de ambele parti ale tevii interioare. Prin aceasta

6

Page 7: Schimbator tip 'teava in teava'

consumul de agenti termici poate fi foarte mic. Schimbatoarele de caldura "teava în

teava" sunt cu contracurent si se pot utiliza nu numai ca racitoare si condensatoare,

ci si ca încalzitoare. În cazul când consumul de agenti termici este mare,

schimbatoarele de caldura "teava în teava"se compun din câteva sectii racordate

paralel. Vitezele înalte de circulatie ale agentilor termici împiedica depunerile de

precipitate.

        Daca conditiile exploatarii nu impun curatirea spatiului din teava si dintre

tevi, schimbatoarele de caldura se fac nedemontabile (fig.1). Constructia este foarte

simpla si consumul de metal, în comparatie cu alte constructii de acelasi tip, este

minim.

                                          Fig.1.

       Daca este necesara curatirea spatiului dintre tevi si pentru ca mantaua sa fie

confectionata din otel carbon, constructia schimbatoarelor de caldura din metale

scumpe (de exemplu oteluri austenitice) se executa demontabila (fig.2). Ţevile se

recomanda a fi confectionate din : aluminiu,otel, nichel, cupru, tungsten si metale

refractare. Se fac cercetari pentru gasirea celor mai eficienti agenti termici si

7

Page 8: Schimbator tip 'teava in teava'

materiale pentru confectionarea tevilor astfel încât randamentul procesului de

transfer termic sa fie cât mai ridicat.

                                      Fig.2.

        Pentru micsorarea numarului de îmbinari, fiecare tronson al schimbatorului de

caldura este format din elemente în forma de U.Flansele capetelor tevilor interioare

la fiecare tronson trebuie sa fie si ele demontabile. Etansarea la flanse se asigura cu

o garnitura, care în acelas timp serveste si la compensarea dilatarilor termice.

        Suprafata de schimb de caldura în aceste schimbatoare de caldura poate fi

formata nu numai din tevi netede, ci si din tevi cu nervuri (fig.3). Ca si în alte

constructii, tevile cu nervuri se folosesc pentru egalizarea conditiilor schimbului de

caldura de ambele parti ale suprafetei de schimb de caldura. Lichidul mai vâscos,

la care coeficientul de transfer este mai mic , circula pe partea cu nervuri, adica în

spatiul dintre tevi.

8

Page 9: Schimbator tip 'teava in teava'

                           Fig.3. Tipuri de tevi cu nervuri:

a- cu nervuri longitudinale

b- cu nervuri elicoidale

c- cu nervuri radiale.

        În fig.4. este reprezentat un schimbator de caldura "teava în teava" cu o

suprafata de schimb de caldura prevazuta cu nervuri si care se foloseste în industria

petroliera. Pentru marirea compactitatii în locul îmbinarii cu flanse se folosesc

îmbinarile cu nipluri.

 

Fig.4.

9

Page 10: Schimbator tip 'teava in teava'

       

        Schimbatoarele de caldura "teava în teava" sunt foarte potrivite pentru

construirea încalzitoarelor din fonta silicioasa, ceramica, sticla si alte materiale de

acelas gen. Camasa schimbatoarelor de caldura are un astfel de diametru, încât prin

ea sa treaca cu un joc minim capatul îngrosat al tevii.

        Jocurile dintre tevi sunt etansate de ambele parti cu garnituri, la care si bucsa

fixa si bucsa de strângere se executa din doua jumatati. Ambele jumatati ale

fiecarei bucse fixe se sprijina pe patru suruburi introduse în bosajele mantalei, dupa

ce teava a fost introdusa în manta. Flansele care leaga coturile de tevi au o

constructie obisnuita (fig.5).

Fig.5. Îmbinarea tevii din fonta silicioasa cu camasa de otel

          Dezavantajele schimbatoarelor de caldura "teava în teava":

1)    consum mare de metal la 1m2 de suprafata de schimb de caldura, în

comparatie cu alte tipuri de schimbatoare de caldura;

2)    dimensiuni mari de gabarit.

10

Page 11: Schimbator tip 'teava in teava'

       Aceste dezavantaje sunt compensate din plin de productivitate înalta pe

fiecare metru de suprafata si prin micsorarea suprafetei necesare de schimb de

caldura.

        Schimbatoarele de caldura tip "teava în teava" sunt utilizabile mai ales în

cazul unor consumuri mici si medii de agenti termici si constituie un tip modern de

utilaj.

        Schimbatoarele de caldura "teava în teava" sunt construite din doua tevi

coaxiale prin care circula cele doua fluide. Elementele sunt asamblate în serie prin

legaturi fixe (sudura) sau demontabile, daca conditiile de exploatare impun sau nu

curatirea spatiului din interiorul tevilor. Au o constructie relativ simpla si permit

variatia marimii suprafetei de transfer prin adaugarea si eliminarea de elemente

(fig.6).

        

     Fig.6. Schema functionala a schimbatorului de caldura tip "teava în teava" : a-

schimbator de caldura tubular; b- schimbator de caldura compact (cu asezarea

11

Page 12: Schimbator tip 'teava in teava'

tevilor în serpentina); H- înaltimea schimbatorului; D- diametrul serpentinei; L-

lungimea tevilor; S- pasul serpentinei; d2e- diametrul tevii exterioare; d1e- diametrul

tevii interioare; (diametre exterioare); t1',t''

1- temperaturile, initiala si finala, ale

produsului incalzit sau racit;t2', t2''- temperaturile, initiala si finala, ale agentului

termic.

        La încalzirea unui lichid pe seama caldurii cedate de aburul saturat care

condenseaza, este indicat ca lichidul sa circule de jos în sus prin interiorul tevii, iar

aburul (si condensatul) de sus în jos în spatiul inelar dintre cele doua conducte,

condensatul evacuându-se pe la partea inferioara prin intermediul unui separator de

condensat. În acest sistem se realizeaza o circulatie în contracurent. Aceasta se

poate realiza si în cazul transferului de caldura între doua lichide, când viteza

lichidului care circula de sus în jos trebuie sa fie aleasa încât teava sa fie tot timpul

plina (sa existe curgere fortata).

        Acest tip de schimbatoare de caldura este utilizat atunci când debitele de fluid

sunt mici. Ele se construiesc prin legarea în serie sau în paralel a unor elemente

compuse din doua tevi coaxiale.

        Aparatul poate fi adaptat cu usurinta la procesul tehnologic pentru care este

destinat, prin schimbarea lungimii tevilor sau a numarului elementelor de transfer

de caldura.

        În industria alimentara, schimbatoarele de caldura cu tevi coaxiale sunt

utilizate în industria uleiului si a vinului, în general pentru variatii mici de

temperatura.

        3.2 Instalatie din industria vinului

12

Page 13: Schimbator tip 'teava in teava'

       Industria de prelucrare a produselor horticole, în particular cea vinicola si de

prelucrare a fructelor, este dotata cu utilaje si instalatii complexe, cu un grad înalt

de mecanizare si automatizare.

        Utilizarea caldurii si frigului în procesele tehnologice se face în diferite stadii

de prelucrare a strugurilor si fructelor si are ca scop obtinerea calitatilor specifice

ale produsului finit.

        Operatiile termice în procesul tehnologic de prelucrare a produselor vinicole

pot fi urmatoarele:

        - termomaceratia strugurilor sau a bostinei în scopul intensificarii extractiei

colorantilor si a altor substante din pielita boabelor;

        - racirea mustului pentru evitarea fermentarii înainte de limpezirea acestuia;

        - limpezire prin încalzire rapidapentru coagularea proteinelor si separarea

suspensiilor din sucul de fructe;

        - conservarea sucurilor de fructe si a vinului pentru pasteurizare si refrigerare.

        Maceratia la cald sau termomaceratia este o operatie tehnologica care se

bazeaza pe încalzirea strugurilor sau mustuielii în vederea extractiei culorii din

pielita boabelor.

        Tratamentul termic al mustului pentru evitarea fermentarii înainte de

limpezirea acestuia consta în încalzirea mustului timp de 2 minute la 85...90°C si

racirea lui imediata pâna la temperaturi de 15...16°C. Acest tratament este

recomandat în special pentru vinurile de consum curent.

13

Page 14: Schimbator tip 'teava in teava'

        Practica vinicola arata ca încalzirea mustuielii la 70°C, timp de 15...30

minute, face ca extractia antocianilor sa fie buna iar oxidazele sa fie inactivate.

Aducerea mustuielii la temperatura de 70°C trebuie facuta cât mai rapid posibil,

deoarece enzimele oxidazice, cu activitate maxima în intervalul de temperatura

45...50°C, produc modificari rapide si profunde când încalzirea este lenta.

        Termomaceratia are, în comparatie cu tehnologia clasica, o serie de avantaje

dintre care se pot mentiona:

        - valorificarea mai eficienta a recoltelor atinse de putregaiul cenusiu,

contaminate de digerite mucegaiuri sau care n-au ajuns la maturitatea tehnologica ;

        - permite reducerea dozelor de SO2;

        - favorizeaza scurtarea duratei de fermentare;

        - conduce la intensificarea culorii rosii;

        - necesita mai putina manopera;

        - elimina unele opetatii greu de executat;

        - favorizeaza o mai buna utilizare a capacitatilor de fermentare si creeaza

posibilitatea diversificarii productiei vinicole;

        - permite executarea procesului tehnologic de obtinere a vinurilor rosii în flux

continuu, cu productivitate înalta;

        - permite separarea operatiilor de macerare si de fermentare si dirijarea

individuala a acestora;

14

Page 15: Schimbator tip 'teava in teava'

        - termomacerarea la 70°C evita aparitia gustului fenic care se percepe la

vinurile obtinute din struguri alterati, vinificati prin procedeele clasice.

        În exploatarea curenta se folosesc utilaje pentru termomacerare cu functionare

continua, formate în principiu dintr-un schimbator de caldura si un recipient pentru

stocarea mustuielii în vederea termomacerarii.

        Schimbatorul de caldura teava în teava este folosit pentru termomacerarea

mustuielii prin recircularea în masa acesteia  a fazei lichide (must) încalzite. În

acest scop , circa 60-70% din mustul separat se trece prin schimbatorul de caldura

unde se încalzeste la aproximativ 85°C. Mustul îmcalzit este recirculta prin

mustuiala din care provine pâna când temperatura acesteia ajunge la 70°C. Pentru a

atinge aceasta temperatura, într-un timp cât mai scurt, fara ca temperatura mustului

sa depaseasca 85°C, este necesar ca debitul de recirculare al mustului sa fie de

cinci ori mai mare decât debitul mustuielii.

        Acest procedeu, prin care se poate încalzi întraga cantitate de mustuiala prin

recircularea mustului, se caracterizeaza prin ridicarea rapida si omogena a

temperaturii fara riscul supraîncalzirii partilor solide. Procedeul poate fi folosit si

la termomacerarea strugurilor nezdrobiti, la care ca agent termic recirculant se

foloseste vin de circa 8% vol. încalzit la 50°C. Actiunea simultana a alcoolului si

caldurii permite reducerea duratei de macerare la 10 minute.

        Fluxul tehnologic de obtinere a vinurilor rosii prin macerare la cald cu

ajutorul mustului este prezentat în fig.7.

        Fractiunea de must folosita pentru încalzirea mustuielii repreuinta 60-70% din

cantitatea totala de must ravac. Restul de 30-40% din mustul ravac, ce a fost în

prealabil separat cu ajutorul scurgatorului înclinat cu melc, nu se mai încalzeste ci

15

Page 16: Schimbator tip 'teava in teava'

se colecteaza separat în vederea asamblarii lui cu mustul termomacerat, rezultat de

la al doilea scurgator înclinat si presa continua.

       

        Schema fluxului tehnologic pentru vinificatie în rosu prin macerare la cald:

1-    mijloc de transport autobasculant;

2-    buncar de receptie;

3-    zdrobitor- dezciorchinator cu pompa;

16

Page 17: Schimbator tip 'teava in teava'

4-    scurgator înclinat cu snec;

5-    vas de încalzire a mustuielii;

6-    recipient pentru maceratie la cald;

7-    scurgator înclinat cu snec;

8-    presa continua;

9-    cisterna tampon;

10-           schimbator de caldura "teava în teava".

                                  4. Calcule

 

        Într-o instalatie termica, schimbator de caldura cu circulatia fluidelor în

contracurent, trebuie sa se încalzeasca o cantitate de must m1=215kg/h de la

temperatura t1=42°C  pâna la t2=75°C.

Mustul are o capacitate termica de 3726J ⁄ kg∙K.

        Pentru încalzire se foloseste apa, care intra în schimbator cu temperatura

90°C, debitul apei fiind de 350kg ⁄ h.

        Valoarea coeficientului global de transfer de caldura este

k=1004W ⁄ m2∙K.

        4.1 Bilantul de materiale

17

Page 18: Schimbator tip 'teava in teava'

 

       ∑materiale intrate = ∑materiale iesite

      

       Materiale intrate - 215kg must

                                 - 350kg apa calda

Materiale iesite - 213kg must

     -  345kg apa racita

     -  7kg pierderi

215+350=213+345+7

        565=565

4.1. Bilantul termic

Expresia bilantului termic este:

Qin=Qies

Qin  - cantitatea de caldura intrata în schimbatorul de caldura;

Qies - cantitatea de caldura iesita din schimbatorul de caldura;

Calculul cantitatii de caldura intrata în schimbatorul de caldura "teava în

teava"

18

Page 19: Schimbator tip 'teava in teava'

        Qin = Qmust intrat + Qapa calda

        Qmust intrat - cantitatea de caldura adusa de must

        Qapa calda - cantitatea de caldura adusa de apa calda (agentul termic)

        Qmust int = mmust ∙ cmust ∙tmust intrat

           

            mmust - cantitatea de must supusa încalzirii [kg]

        cmust  - capacitatea termica sau caldura specifica a mustului [J/kg·K]

        tmust intrat = 42°C = 42+273 = 315°K

        Qmust intrat =  mmust ∙ cmust ∙tmust intrat

                        = 215kg · 3726 K

                        = 252343350 J

        

        Qapa calda = mapa calda · capa calda · tapa calda

        mapa calda  - cantitatea de apa calda intrata în schimbator;

        capa calda - caldura specifica a apei calde;

        tapa calda - temperatura apei calde;

        mapa calda = 350kg

19

Page 20: Schimbator tip 'teava in teava'

        capa calda = 4190J/kg·K (la 90°C)

        tapa calda = 90°C = 90+273 = 363°K

        Qapa calda = 350kg · 4190 =532339500 J

        

        Qin = Qmust+Qapa calda

              = 4205722,5+8872325=13078047,5W

       

        Calculul cantitatii de caldura iesita din schimbatorul de caldura "teava

în teava"

        Qies = Qmust încalzit + Qapa racita + Qp

        Qmust încalzit - cantitatea de caldura primita de must;

        Qapa racita - cantitatea de caldura cedata de apa calda;

        Qp   - cantitatea de caldura pierduta cu mediul extern;

        Qmust încalzit = mmust încalzit ∙ cmust încalzit ∙tmust încalzit

        mmust încalzit - masa de must încalzita [kg];

        cmust încalzit - caldura specifica a mustului încalzit [J/kg·K];

20

Page 21: Schimbator tip 'teava in teava'

        tmust încalzit - temperatura mustului încalzit;

        mmust încalzit = 213kg

        cmust încalzit = 3726J/kg·K

        tmust încalzit = 75°C = 75+273 = 348°K    

        Qmust încalzit  = mmust încalzit ∙ cmust încalzit ∙tmust încalzit

       

                      = 213kg · 3726

                      = 276186020J

       

        

        Qapa racita = mapa racita ∙ capa racita ∙ tapa racita

            mapa racita - masa de apa racita;

       

        capa racita - 4180J/kg·k;

        tapa racita  = 78°C = 78+273 = 351°K

        Qapa racita = 345kg · 4180J/kg·k · 351°K

21

Page 22: Schimbator tip 'teava in teava'

                  

                   = 506177100J

        

        Qp = Qin - (Qmust încalzit + Qapa racita)

              = 13078047,5-(46031003+8436285)

              = 13078047,5-13039385 = 38662W

22

Page 23: Schimbator tip 'teava in teava'

Bibliografie

1. Banu C., Ingineria produselor alimentare. Operatii si utilaje., Editura

"Tehnica" , Bucuresti 2002

2. Cebotarescu I. D., Neagu C.,Bibire Luminita, Utilaj tehnologic pentru

vinificatie , Editura "tehnica", Bucuresti 1997

3. Stancu Alexandru, Mamaliga Ioan, Industria chimica- Operatii si utilaje de

baza , Editura " Gh. Asachi", Iasi 1997

4. .http://www.directindustry.com/find/coaxial-heat-exchanger

5. Ibrahim Dincer, Heat transfer in food cooling applications, University of

Victoria, 1997

6. http://alisa.ucsd.edu/LIB/REPORT/UCSD-ENG/UCSD-ENG-089..

7. http://www.me.umn.edu/education/courses/me4331/heatex

8. http://wwwsoc.nii.ac.jp/grsj/back/back7-8.html

9. http://www.egi.kth.se/courses/4A1601/Files/VT-tenta%20

10. http://saato014.hut.fi/Hyotyniemi/publications/02_sims

11. Rasenescu, A. Badea, A. Leca, M. Marinescu; Transferul de caldura si masa.

Teorie si aplicatii, Editura Didacticasi Pedagogica, Bucuresti 1983

         

23

Page 24: Schimbator tip 'teava in teava'

24