schimb cal dura
TRANSCRIPT
-
7/30/2019 Schimb Cal Dura
1/24
Operaii de schimb de cldur
1
6. OPERAII DE SCHIMB DE CLDUR
(NCLZIREA, RCIREA, CONDENSAREA)
6.1. Surse de cldur, ageni de schimb de cldur
Echipamentele de proces utilizate pentru transferul unui flux termic
de la un fluid la altul se numesc schimbtoare de cldur
(prenclzitoare, supranclzitoare, calorifere, rcitoare, recuperatoare,
condensatoare, etc.).
Transferul de cldur ntre dou fluide se poate realiza:
1.prin contact directntre cele dou fluide;2.prin intermediul unei suprafee de schimb de cldur, cnd
schimbtoarele au delimitate dou spaii pentru circulaia
independent a celor dou fluide.
Energia termic poate fi asigurat de la un fluid mai cald, numit
agent purttor de cldur, fie prin contact direct fie prin intermediul unei
suprafee de schimb de cldur. Energia termic poate fi obinut prin
transformarea energiei electrice sau a energiei radiante n energie
caloric.Agentul de rcire preia o cantitate de energie termic, iar dac
trebuie s preia energie termic pentru rcirea unui produs la
temperaturi mai mici dect temperatura mediului ambiant, acesta se
numete agent purttor de frig.
Denumirea generic pentru agenii purttori de cldur i agenii de
rcire care particip la schimbul de cldur este de ageni de schimb decldur.
-
7/30/2019 Schimb Cal Dura
2/24
S.t.Biri Operaii i echipamente de proces
2
nclzirea cu aer cald se regsete n special la operaiile de
uscare. Aici, aerul are rol dublu: cel de a furniza cldura necesar
evaporrii umiditii din materialul supus procesului de uscare i cel de a
transporta umiditatea evaporat n exteriorul sistemului. Temperatura
aerului cald i umiditatea relativ a acestuia influeneaz capacitatea de
uscare a acestuia. Utilizarea aerului cald ca agent purttor de cldur
presupune existena unei surse termice pentru generarea acestuia.
nclzirea cu gaze de ardere se utilizeaz n special pentru
situaiile n care este nevoie de temperaturi ridicate, agentul purttor de
cldur obinndu-se prin arderea unui combustibil. Aceast surs de
cldur prezint dezavantajul unui randament termic sczut deoarece o
mare parte a cldurii produse prin arderea direct a combustibilului este
eliminat n atmosfer mpreun cu gazele evacuate.
nclzirea cu abur supranclzit se utilizeaz din ce n ce mai
puin datorit dezavantajelor specifice care includ i limitarea
considerabil a diferenei de temperatur ntre intrare i ieire asistemului de nclzire. Sistemele de nclzire cu abur supranclzit
funcioneaz n circuit nchis.
nclzirea cu abur saturat sau vapori saturai se desfoar
utiliznd cldura latent cedat de abur n timp ce acesta se
condenseaz la temperatur constant. n prezent, aburul saturat este
cel mai uzual agent purttor de cldur datorit avantajelor sale,respectiv: cldur latent de condensare mare la temperaturi curente de
nclzire, conducnd la debite reduse de abur n comparaie cu ali
purttori de cldur; coeficient parial de transfer de cldur foarte
mare; temperatura constant a agentului purttor de cldur, uor de
reglat prin reglarea presiunii aburului; aburul saturat nu este nici
inflamabil i nici toxic; cost redus. Se utilizeaz pentru nclziri ce nu
depesc 150200C.
-
7/30/2019 Schimb Cal Dura
3/24
Operaii de schimb de cldur
3
nclzirea cu ap cald se poate face cu ap la presiune
atmosferic (pentru temperaturi de pn la 80C) sau, pentru
temperaturi mai ridicate (temperaturi de peste 80C), cu ap sub
presiune. Apa cald ca agent termic prezint avantajul cldurii specifice
mari i a volumului specific mic, permind transportul la distane mari.
nclzirea electric se realizeaz fr s mai necesite un agent
termic, sau se poate utiliza pentru nclzirea unui purttor de cldur.
Avantajele nclzirii electrice sunt: posibilitatea concentrrii unei surse
termice puternice ntr-un spaiu mic; posibilitatea de amplasare a sursei
termice n orice punct al sistemului; posibilitatea de reglare rapid i
facil, manual sau automat, a energiei introduse i a temperaturii
spaiului nclzit; posibilitatea de a dezvolta cldura la locul dorit, fr a
produce impurificarea spaiului nclzit; posibilitatea de a realiza chiar
temperaturi ridicate (pn la 3000C). Randamentul instalaiilor electrice
de nclzire este mult mai ridicat dect n cazul instalaiilor de nclzire
cu ali purttori de cldur. Energia electric are ns un pre destul de
ridicat, motiv pentru care, aceasta se utilizeaz numai n cazuri speciale,
pentru procese la care este nevoie de temperaturi ridicate.
Cantitatea de cldur obinut la nclzirea cu rezistene electrice
se poate calcula cu relaia:
===2
IRIUWQ [J] (6.1)
n care: W este puterea electric [W], -timpul [s], U tensiunea
electric de alimentare a rezistenei [V], I intensitatea curentului
electric ce trece prin rezisten [A], R rezistena electric [],
randamentul instalaiei n care se transform energia electric n cldur.
nclzirea electric poate fi fcut i cu ajutorul curenilor de
inducie, procedeu care ns este mai puin rspndit n industria
alimentar sau n ingineria mediului.
nclzirea dielectric se utilizeaz n cazul materialelor cuconductivitate electric sczut (materiale dielectrice sau
-
7/30/2019 Schimb Cal Dura
4/24
S.t.Biri Operaii i echipamente de proces
4
semiconductori). Aceste materiale sunt introduse ntre plcile unui
condensator cuplat la un generator de curent cu nalt frecven (1-200
MHz), nclzindu-se uniform n toat masa lor. Cldura eliberat la
nclzirea dielectric se calculeaz cu relaia:
=WQ [J] (6.2)
iar puterea consumat pentru nclzire dielectric se calculeaz:
l
DUfAW
=
2101029,1 [W] (6.3)
n care: -reprezint timpul [s], A aria suprafeei condensatorului [m2],
f frecvena curentului [Hz], U tensiunea curentului ntre plcile
condensatorului [V], D constanta dielectric a materialului nclzit (2
...6), l distana dintre plcile condensatorului [m], coeficient de
pierderi (0,02 0,06).
nclzirea cu radiaii infraroii se realizeaz fr purttor de
cldur, sursa de energie fiind un emitor de radiaii infraroii, a crei
lungime de und este de (0,7 ... 20) m. nclzirea cu radiaii infraroii
este posibil numai pentru acele corpuri care au coeficient de absorbie
mare. Alegerea sursei de radiaii trebuie fcut astfel nct lungimea de
und pentru care emite maximum de radiaii s coincid cu lungimea de
und pentru care corpul nclzit prezint un maxim de absorbie.
nclzirea cu radiaii infraroii prezint avantajul unei nclziri foarte
rapide a suprafeei iradiate i al unui randament termic i electric mare.
Radiaiile infraroii se utilizeaz n special pentru operaiile de uscare.
Ageni termici de rcire
Apa este cel mai utilizat agent de rcire n industria alimentar i n
ingineria mediului. Temperatura cu care apa este adus n instalaiile de
rcire este n funcie de sursa de ap i de condiiile climatice.
Temperatura apei la suprafa variaz n funcie de perioada
calendaristic (de la 0C la 18 ... 25C). Apa de adncime poate avea
temperaturi de (10 ... 15)C. Apa de la turnurile de rcire poate avea
-
7/30/2019 Schimb Cal Dura
5/24
Operaii de schimb de cldur
5
iarna temperaturi de (10 ... 15)C, iar vara temperaturi de (30 ... 35)C.
Gheaa sfrmat mruntpoate fi utilizat ca agent de rcire prin
introducerea direct n lichidul care urmeaz a fi rcit. Cldura latent de
topire a gheii este de 332 kJ/kg. Aceast metod de rcire poate fi
utilizat atunci cnd este permis n procesul tehnologic diluarea
lichidului supus rcirii cu apa rezultat din topirea gheii.
Bioxidul de carbon solid (gheaa uscat) sublimeaz (trece din
stare solid direct n stare gazoas) la -79C, cu o cldur latent de
sublimare de 574 kJ/kg. Dizolvat n diferite substane (cloroform,
aceton, eter) menine o temperatur de aproximativ -78C.
Amestecuri frigorifice sunt obinute prin amestecarea apei sau a
gheii cu diferite sruri care prin dizolvare absorb cldura. Temperatura
minim (punctul criohidric) se obine pentru proporii determinate de
sare i ghea. (De exemplu, clorura de calciu n proporie de 143 grame
la 100 grame ghea furnizeaz un eutectic cu temperatura de -55C).
Soluii apoase de NaCl, MgCl2, CaCl2 (saramuri) rcite n instalaii
frigorifice la temperaturi mai ridicate cu cteva grade dect temperaturacorespunztoare punctului criohidric, pentru o concentraie determinat,
pot fi utilizate de asemenea ca ageni de rcire.
6.2. Schimbtoare de cldur
Sunt echipamente de proces utilizate pentru efectuarea unor
operaii de transfer de cldur de la un fluid la altul, prezentnd ovarietate foarte mare de tipuri.
Dup principiul de funcionare se deosebesc:
- schimbtoare recuperatoare n care schimbul de cldurntre cele dou fluide se face prin intermediul unui perete. Cele
dou fluide au circuite distincte (Fig. 6.1).
- schimbtoare regeneratoare n care fluidul cald este trecutprintr-un echipament de tip cu umplutur i cedeaz cldur
-
7/30/2019 Schimb Cal Dura
6/24
S.t.Biri Operaii i echipamente de proces
6
materialului solid. Dup un interval de timp se alimenteaz
echipamentul cu fluidul rece care preia cldura de la umplutur.
Aceste schimbtoare au funcionare periodic.
- schimbtoare de cldur de amestec n care schimbul decldur ntre cele dou fluide se face prin contactul direct al
acestora, amestecndu-se ntre ele.
Fig. 6.1. Schema de principiul pentru un schimbtor recuperator
Dup rolul echipamentului n procesul termic:
- rcitoare sau nclzitoare cnd cele dou fluide nu-ischimb starea de agregare.
- condensatoare sau vaporizatoare (fierbtoare) cndtransferul de cldur are loc cu schimbarea strii de agregare a
fluidelor.
Dup sensul relativ de circulaie al celor dou fluide:
- schimbtoare n echicurent n care cele dou fluide circul nacelai sens (Fig. 6.2.a);
- schimbtoare n contracurent n care cele dou fluide circuln sensuri opuse (Fig. 6.2.b);
- schimbtoare n curent ncruciat n care cele dou fluide
-
7/30/2019 Schimb Cal Dura
7/24
Operaii de schimb de cldur
7
circul perpendicular sau la un unghi oarecare unul fa de
cellalt (Fig. 6.2.c);
- schimbtoare n curent mixt care sunt combinaii aletipurilor de mai sus (Fig. 6.2.d).
Fig. 6.2. Sensuri relative de curgere a fluidelort1
',t
1
''- temperaturile la intrarea i ieirea agentului termic primar
t2',t2
''- temperaturile la intrarea i ieirea agentului termic secundar
Dup construcie:
- schimbtoare de cldur cu manta;- schimbtoare de cldur cu serpentin (spiral);- schimbtoare de cldur cu evi coaxiale;-
schimbtoare de cldur multitubulare;- schimbtoare de cldur n spiral;- schimbtoare de cldur cu plci;- schimbtoare de cldur cu evi cu aripioare;- schimbtoare de cldur de construcii particulare sau mixte.
6.2.1. Schimbtoare de cldur cu manta
Sunt echipamente de proces utilizate n general n instalaii cu
operaii complexe (bioreactoare), unde debitele de fluid nu sunt prea
mari i intervin i alte operaii n afara schimbului de cldur cum ar fi:
agitarea, fluidizarea, sedimentarea, etc.
Mantaua sau peretele dublu este spaiul destinat circulaiei
agentului de rcire sau nclzire i este montat n jurul echipamentului
prin sudare sau nituire. n figura 6.3 este prezentat schema
-
7/30/2019 Schimb Cal Dura
8/24
S.t.Biri Operaii i echipamente de proces
8
constructiv a unui schimbtor de cldur cu manta care are n
componen urmtoarele: 1 corpul echipamentului, 2 manta, 3
racord pentru introducerea lichidului de tratat n vas, 4 racord de
evacuare a lichidului din vas, 5 racord de alimentare a mantalei cu
agent de nclzire (sau de evacuare a agentului de rcire), 6 racord de
evacuare a agentului de nclzire (sau de alimentare cu agent de rcire).
Fig. 6.3. Schema schimbtorului de cldur cu manta
Dac schimbtorul de cldur este utilizat pentru nclzire,
presiunea aburului din manta nu trebuie s depeasc 5 bar, deoarece
depirea acestei valori impune mrirea considerabil a grosimii pereilor
vasului i ai mantalei.
Suprafaa de schimb de cldur posibil de realizat este limitat n
comparaie cu dimensiunile echipamentului, acest aspect constituind
unul dintre dezavantajele acestuia.
Cantitatea de cldur transferat se poate calcula cu relaia:
= medtAkQ [J] (6.4)n care: kreprezint coeficientul total de transfer de cldur [W/m2grd],
-
7/30/2019 Schimb Cal Dura
9/24
Operaii de schimb de cldur
9
a crui valori, mai des ntlnite sunt prezentate n tabelul 6.1., A
suprafaa de schimb de cldur (determinat de elementele constructive
ale echipamentului: diametru, nlime lichid, etc.) [m2], tmed diferena
medie de temperatur dintre cele dou fluide [grd], -durata operaiei
de schimb de cldur [s].
Tabel 6.1. Coeficieni totali de transfer de cldurpentru schimbtoarele de cldur cu manta [ ]
Natura fluidului din:
Manta VasMaterial de
construcie vasMicare
Coeficient total detransfer de cldur
[W/m2grd]Abur Ap Font emailat Cu agitare 540 ... 670Abur Lapte Font emailat Cu agitare ~ 460
Abur Lapte n fierbere Font emailat Cu agitare ~ 2800Abur Ap n fierbere Oel Fr agitare ~ 1050Abur Ap n fierbere Cupru Fr agitare ~ 1250Abur Parafin Cupru Fr agitare ~ 140
6.2.2. Schimbtoare de cldur cu serpentin
Sunt echipamente de proces utilizate pentru realizarea transferului
de cldur n condiii de flux caloric redus sau pentru destinaii speciale.
n figura 6.4.a este prezentat un astfel de schimbtor de cldur care
este de obicei de form cilindric, cu fund drept, bombat sau tronconic.
Prile principale din care se compune un schimbtor de cldur cu
serpentin sunt: perete cilindric (1), serpentin (2), suport serpentin
(3), racord de alimentare cu fluid 1 (4), racord de evacuare fluid 1 (5),
racord de alimentare cu fluid 2 (6) i racord de evacuare a fluidului 2
(7). Serpentina este realizat de obicei din eav de oel sau cupru cu
diametrul de pn la maxim 75 mm. n figura 6.4.b sunt prezentate
variante de construcie a serpentinelor prin sudare n exteriorul peretelui
vasului. Seciunea acestor serpentine poate fi semicircular sau
triunghiular.
Datorit lungimii mari a serpentinelor, n partea inferioar se poate
acumula condensat iar schimbul de cldur se poate nruti. Deasemenea, la serpentinele cu lungimi mari, pierderile de presiune sunt
-
7/30/2019 Schimb Cal Dura
10/24
S.t.Biri Operaii i echipamente de proces
10
mari, datorit rezistenelor hidrodinamice, motiv pentru care se opteaz
pentru varianta mai raional a mpririi serpentinei n mai multe
pasaje. Se recomand ca raportul dintre lungimea evii sepentinei i
diametrul acesteia s nu depeasc valoarea 225.
a) b)Fig. 6.4. Schimbtor de cldur cu serpentin
Viteza fluidului care circul prin vas este mult mai mic dect cea a
fluidului care circul prin serpentin iar coeficientul parial i cel global
(total) de schimb de cldur sunt mici, motiv pentru care schimbul de
cldur este mai puin intens.
Datorit simplitii construciei, costul acestor schimbtoare de
cldur este redus. Au ns gabarit relativ mare n raport cu suprafaa de
schimb de cldur realizat. Domeniul de utilizare este destul de larg,
mai cu seam n cazul operaiilor speciale, ce presupun debite mici.
Lungimea total a conductei spirei se determin n funcie de
suprafaa de transfer de cldur i de diametrul mediu (dm) al evii dincare este realizat serpentina, respectiv:
-
7/30/2019 Schimb Cal Dura
11/24
Operaii de schimb de cldur
11
md
AL
=
[m] (6.5)
Lungimea unei spire se determin n funcie de diametrul spirei
(ds) i de pasul spirei (h):
ss dhdl += 22
)( [m] (6.6)
Pasul spireise poate adopta:
mdp = )2...5,1( [m] (6.7)
Numrul de spire se calculeaz:
l
Ln = (6.8)
nlimea total a serpentinei se calculeaz n funcie de
numrul de spire, de pasul spirei i de diametrul exterior al evii din care
este confecionat spira (de):
edhnH += [m] (6.9)
6.2.3. Schimbtoare de cldur cu evi coaxiale
Sunt echipamente de proces utilizate pentru realizarea transferului
de cldur la fluxuri termice reduse. Acestea sunt confecionate din evi
cu diametrul de maxim 75 mm, introduse n alte evi cu diametrul mai
mare. Elementele sunt asamblate n serie prin legturi fixe (sudur) sau
demontabile (Fig. 6.5). Aceste schimbtoare se compun din: evi
exterioare (1), evi interioare (2), cot dublu (3) pentru legarea n serie a
evilor interioare, racord de alimentare cu fluid 1 (4), racord de evacuare
fluid 1 (5), racord de alimentare cu fluid 2 (6), racord de avacuare a
fluidului 2 (7), racord de legtur dintre evile exterioare (8).
Acest tip de schimbtor de cldur se utilizeaz pentru debite mici
i medii ale fluidelor. Au o construcie relativ simpl i permit variaia
mrimii suprafeei de schimb de cldur prin adugarea sau eliminarea
de elemente.
-
7/30/2019 Schimb Cal Dura
12/24
S.t.Biri Operaii i echipamente de proces
12
Fig. 6.5. Schimbtor de cldur cu evi coaxiale
6.2.4. Schimbtoare de cldur multitubulare
Sunt cele mai rspndite schimbtoare de cldur i sunt cele maiutilizate n industrie. Sunt compuse dintr-un fascicul de evi 2 (Fig. 6.6),
fixat prin sudur sau mandrinare n orificiile plcilor tubulare aflate n
interiorul corpului cilindric (1). Cele dou fluide circul independent fiind
alimentate prin racordul (3) i (5), i evacuate prin racordurile (4) i (6).
Fig. 6.6. Schimbtor de cldur cu multitubular
-
7/30/2019 Schimb Cal Dura
13/24
Operaii de schimb de cldur
13
a) b)
Fig. 6.7. Dispunerea evilor n plan transversal
n figura 6.7 este prezentat dispunerea evilor n plan transversal
n dou variante: - n hexagoane concentrice (a)
- n cercuri concentrice (b)
Este indicat s circule prin evi fluidul mai cald, cu debit mai mic,
cu vscozitate mai mic, cu presiunea mai mare.
Viteza fluidului prin evi este cuprins ntre 0,1-0,3 m/s i 2 m/s.
Diametrul evilor este de 25, 40,50 mm.
6.2.5. Schimbtor de cldur n spiral
Aa cum este prezentat n figura 6.8, un astfel de schimbtor este
realizat din dou table (1 i 2) ndoite n form de spiral i din doi perei
laterali (3 i 4), care formeaz dou camere spirale de seciune
dreptunghiular prin care circul independent cele dou fluide.
Alimentarea cu fluid 1 se face prin racordul 5 iar evacuarea acestuia se
face prin racordul 6. Alimentarea schimbtorului de cldur cu cel de-al
doilea fluid se face prin racordul 7 iar evacuarea se face prin racordul 8.
Aceste schimbtoare de cldur au o serie de avantaje:
- seciune de circulaie a fluidului constant n tot schimbtorul;- viteza fluidelor n spaiul spiral este constant;- pierderea de presiune este mai mic dect n cazul altor tipuri de
schimbtor de cldur, deoarece nu exist variaii brute de
-
7/30/2019 Schimb Cal Dura
14/24
S.t.Biri Operaii i echipamente de proces
14
direcie;
- viteze mai mari de circulaie a fluidelor prin spaiul spiral,ajungnd pn la valori de 20 m/s n cazul vaporilor, respectiv
de pn la 2 m/s n cazul lichidelor;
- coeficient total de transfer de cldur mare (pn la 3500W/m2grd);
- concentrare mai mare de suprafa de transfer de cldur (pnla 80 m2/m3), ceea ce conduce la un gabarit redus;
- este de circa dou ori mai eficient dect un schimbtor decldur multitubular care are acelai gabarit.
a) b)
Fig. 6.8. Schimbtor de cldur n spiral
Aceste schimbtoare de cldur au i o serie de dezavantaje:
- au construcie mai complicat;- dificultatea de a realiza etanarea bun a capacelor, motiv
pentru care acestea nu pot fi utilizate pentru presiuni mai mari a
fluidelor de 6-10 bar;
- curirea greoaie a suprafeelor din interiorul camerelor spirale.
-
7/30/2019 Schimb Cal Dura
15/24
Operaii de schimb de cldur
15
6.2.6. Schimbtoare de cldur cu plci
Sunt echipamente (Schia din Fig. 6.9) destinate transferului de
cldur lichid-lichid, vapori-lichid, alctuite din plci individuale ceformeaz prin asamblare un pachet (1), care se monteaz pe un cadru
metalic (2, 3) cu bare de susinere i ghidaj (4), cu urub de strngere
(5), acionat de maneta (6). Echipamentul este prevzut cu racorduri
pentru alimentare-evacuare cu ageni termici (7, 8, 9, 10).
Fig. 6.9. Schimbtor de cldur cu plci
Fiecare pereche de plci nvecinate formeaz cte un canal de
curgere (Fig. 6.10), astfel nct, n dou canale adiacente, sensul de
curgere al agenilor termici este ntotdeauna opus. n figura 6.10.a se
poate observa c circulaia fiecrui agent termic se realizeaz n serie
prin canalele formate, iar n figura 6.10.b are loc o circulaie n paralel
a agenilor termici.
n figura 6.11 se prezint n detaliu modul n care se realizeaz
circuitul fluidelor n paralel ntr-un astfel de schimbtor de cldur cu
plci. T1, T2, T3 i T4 reprezint racordurile de alimentare-evacuare a
agenilor termici.
-
7/30/2019 Schimb Cal Dura
16/24
S.t.Biri Operaii i echipamente de proces
16
a)
b)
Fig. 6.10. Circulaia fluidelor n schimbtorul de cldur cu plci
Fig. 6.11. Circuitul fluidelor n schimbtorul de cldur cu plci
Plcile sunt executate din foi metalice subiri (Fig. 6.12), prevzutecu ondulaii, n scopul mririi rigiditii suprafeei de schimb de cldur i
turbulenei fluidelor. Etanarea ntre plci mpiedic amestecarea
agenilor termici i scurgerea acestora spre exterior, realizndu-se prin
intermediul unor garnituri (2) executate din materiale compatibile cu
purttorii respectivi de cldur. Plcile mai sunt prevzute cu orificii de
trecere (1) i cu loca de fixare n cadru (3). Echipamentul se adapteaz
-
7/30/2019 Schimb Cal Dura
17/24
Operaii de schimb de cldur
17
uor unor modificri ale suprafeei de schimb de cldur (extindere sau
reducere), prin adugare sau eliminare de plci.
Fig. 6.12. Tipuri constructive de plci
Plcile se execut din oel inoxidabil, din oeluri aliate speciale, sau
din alte materiale care se pot presa i care prezint conductibilitate
termic ridicat. Parametrii maximi de funcionare ai acestui tip de
schimbtor sunt: presiuni de 25 bar i temperaturi de 1300C, cnd se
utilizeaz garnituri din cauciuc. Suprafaa maxim de nclzire pentru un
echipament este de 800 m2. Echipamentele de tip lichid-lichid (ap-ap)
realizeaz un coeficient global de transfer de cldur de 35005500
W/m2K i un debit maxim de 1800 m3/h.
a) b)Fig. 6.13. Schimbtoare de cldur cu plci sudate
-
7/30/2019 Schimb Cal Dura
18/24
S.t.Biri Operaii i echipamente de proces
18
Pentru a reduce greutatea plcilor intermediare, interiorul lor poate
avea form de fagure (Fig. 6.13). Lichidul circul ntr-un strat de 3-4
mm prin spaiul liber de pe o fa a plcilor, iar pe cealalt parte circul
n contracurent ap cald sau abur de joas presiune.
Schimbtoarele de cldur cu plci i-au cptat o larg
ntrebuinare datorit avantajelorpe care acestea le prezint:
- concentrare mare de suprafa de transfer de cldur (se poateajunge pn la 200 m2/m3);
- transfer de cldur intens datorat grosimii mici a peliculei delichid (max. 5 mm) i turbulenei la curgerea fluidelor provocat
de ondulaiile plcilor;
- rezisten hidraulic la curgerea fluidelor prin schimbtor relativmic;
- curire i ntreinere relativ uoar datorit posibilitii dedemontare a pachetului de plci;
- pot fi realizate uor adaptri ale suprafeei de transfer decldur n funcie de necesiti prin adugarea sau ndeprtareade plci;
- satisfac cele mai exigente condiii de igien.
6.2.7. Schimbtoare de cldur cu aripioare
Sunt utilizate atunci cnd coeficienii pariali de transfer de cldur
ai celor dou fluide ntre care se realizeaz schimbul de cldur suntmult diferii ntre ei (cum este cazul transferului ntre abur i gaze). Pot fi
ntrebuinate cu predilecie la nclzirea aerului pe baza cldurii cedat
de aburul care se condenseaz. Aceste schimbtoare de cldur se mai
numesc calorifere sau radiatoare (Fig. 6.14). Se compun din evi cu
aripioare (1), racord de alimentare cu agent termic (2), racord de
evacuare agent termic (3) i cadru (4). Aripioarele se monteaz pepartea agentului cu coeficient de transfer de cldur mai mic avnd rolul
-
7/30/2019 Schimb Cal Dura
19/24
Operaii de schimb de cldur
19
de a mri suprafaa de schimb de cldur i prin aceasta mbuntirea
procesului de transfer de cldur dintre cele dou fluide. Dispunerea
aripioarelor pe evi precum i modul de circulaie al gazelor este
prezentat n cele dou variante n figura 6.15 (a -cu aripioare
longitudinale, b -cu aripioare transversale).
Fig. 6.14. Schimbtor de cldur cu aripioare
a) b)
Fig. 6.15. Tipuri constructive de evi cu aripioare
Aceste schimbtoare de cldur servesc n special ca radiatoare
pentru nclzirea aerului din ncperi sau pentru nclzirea aerului
necesar usctoarelor.
-
7/30/2019 Schimb Cal Dura
20/24
S.t.Biri Operaii i echipamente de proces
20
6.2.8.Elemente de calculul pentru schimbtoarele de cldur
Transferul de cldur n curent paralel
Fig. 6.16. Diagrama de calcul la transferul de cldur n curent paralel
=
=
22
11
"
'
rc
rc
ttt
ttt (1)
Fluxul caloric printr-o poriune infinit ezimal de suprafa de
schimb de cldur dA este:
dAttkdQ rc = )( (2)
n care keste coeficientul total de transfer de cldur.
Fluxul caloric cedat de fluidul cald (a crui temperatur n poriuneainfinit-ezimal se micoreaz cu dtc) este primit de ctre fluidul rece (a
crei temperatur temperatur crete cu dtr). Din ecuaiile calorimetrice:
=
=
rrr
ccc
dtcDdQ
dtcDdQ(3)
n care:Dc, Dr reprezint debitele de mas ale celor dou fluide;
cc, cr cldurile specifice ale celor dou fluide,rezult variaiile de temperatur ale celor dou fluide:
tr1
Fluid cald(c)
t
r
tc2
tr2
t
tc
t
dt
c
dt
r
dt
dA
A
tc1
Fluid rece (r)
-
7/30/2019 Schimb Cal Dura
21/24
Operaii de schimb de cldur
21
=
=
rrr
ccc
cD
dQdt
cD
dQdt
(4)
din care, prin scdere, se obine:
dQcDcD
dtdtrrcc
rc
+
=
11(5)
de unde rezult:
dQttd rc = )( (6)
unde, s-a fcut notaia:
rrcc cDcD +
=
11 (7)
Rezult ecuaia fluxului caloric prin suprafaa infinit-ezimal dA de
forma:
==
)()( rcrc
ttddAttkdQ (8)
Din relaiile (6) i (8) rezult:
dAktt
ttd
rc
rc=
)((9)
din care, prin integrare pentru ntreaga suprafa de schimb de cldur,
se obine:
=
At
t rc
rc dAktt
ttd
0
"
'
)((10)
respectiv:
Aktt
tttt
rc
rcrc =
11
22)ln( (11)
Aktttt rcrc = )ln()ln( 1122 (12)
Aktt
tt
rc
rc =
11
22ln (13)
-
7/30/2019 Schimb Cal Dura
22/24
S.t.Biri Operaii i echipamente de proces
22
care este echivalent cu expresia:
Akt
t=
'
"ln (14)
de unde rezult expresia:
Akett = '" (15)
Din relaia (6) rezult:
)(1
rc ttddQ
= (16)
care, dac se integreaz, pentru ntregul schimbtor de cldur:
=
22
11
)(1
0
rc
rc
tt
tt
rc
Q
ttddQ (17)
rezult cantitatea de cldur total transmis de la fluidul cald la fluidul
rece pentru ntreg schimbtorul de cldur:
11
22)(
1
rc
rcrc
tt
ttttQ
= (18)
)]()[(1
1122 rcrcttttQ
= (19)
)'"(1
ttQ
= (20)
iar din relaia (9) rezult expresia parametrului sub forma:
Ak
tt
='"ln
(21)
Din ultimele dou ecuaii rezult expresia fluxului caloric transmis
de la fluidul cald la fluidul rece pentru ntreaga suprafa de schimb de
cldur:
'"ln
'"
tt
ttAkQ
= (22)
-
7/30/2019 Schimb Cal Dura
23/24
Operaii de schimb de cldur
23
respectiv:
mtAkQ = (23)
n care tm reprezint diferena medie logaritmic de temperatur, avnd
expresia:
'
"lg3,2
'"
'
"ln
'"
t
t
tt
t
t
tttm
=
= (24)
Transferul de cldur n contracurent
Transferul de cldur se realizeaz n cele mai bune condiii n cazul
circulaiei n contracurent a celor dou fluide. Fluxul caloric cedat defluidul cald este egal cu fluxul caloric primit de fluidul rece. Transferul de
cldur se realizeaz ntre cele dou fluide prin intermediul unei
suprafee de schimb de cldur n regim staionar, la temperaturi
variabile, cele dou lichide meninndu-i starea fizic.
Fig. 6.17. Diagrama de calcul la transferul de cldur n contracurent
tr1
Fluid cald(c)t
r
tc2
tr2
t
tc
t
dtc
dt
r
dt
dAA
tc1
Fluid rece (r)
-
7/30/2019 Schimb Cal Dura
24/24
S.t.Biri Operaii i echipamente de proces
Eficien Compactitate
Tip de schimbtor decldur
Vite
zemari
n
evi
Vite
zemari
n
afa
raevilor
A
ccesibil
pentru
c
urirea
evilor
A
ccesibil
pentru
c
urirea
s
paiului
int
ertubular
A
ccesibil
pentru
r
eparaii Suprafaa de
schimb decldur peunitatea de
volum [m2/m3]
Cu serpentin S P N S S 4-12
Cu evi coaxiale(nedemontabil) S S N N N 4-15
Cu evi coaxiale(demontabil) S S S S S 4-10
Multitubular(nedemontabil)
S P S N P 18-40
Multitubular(demontabil) S P S S P 18-40
n spiral S S N N P 34-80
Cu plci P P S S S 50-200
S satisfctor, P satisfctor parial, N -nesatisfctor