PROIECT DE SEMESTRU

DISCIPLINA: INGINERIA TRANSFERULUIDE CALDURA

PROIECTAREA TEHNOLOGICA A UNUISCHIMBATOR DE CALDURA

2

C U P R I N S

Introducere1. Date de proiectare…………………………………………………………………..82. Breviar cu rezultate obtinute ………………………………………...…………….93. Bilantul termic pe schimbator ……………………………………………….....104. Stabilirea geometriei aparatului……………………………………...………...….115. Calculul coeficientului de convectie la interiorul tuburilor…………………...…..136. Calculul coeficientului de convectie la exteriorul tuburilor…………………….....147. Calculul suprafetei de schimb de caldura necesara……………………………......188. Concluzii…………………………………………………………………………...19

B I B L I O G R A F I E……………………………………………………………21

3

INTRODUCERE

Schimbatoarele de caldura sunt aparate (utilaje) in care se realizeaza procese (operatii) de transfer de caldura intre doua fluide.

Clasificarea schimbatoarelor de caldura se poate face din mai multe puncte de vedere, dintre care trei sunt mai importante :

1. clasificarea dupa procesul principal de transfer de caldura ;2. clasificarea dupa modul de contractare a fluidelor ;3. clasificarea dupa tipul constructiv al aparatului.

Dupa procesul principal de transfer de caldura , se deosebesc numeroase clase de aparate , ca de exemplu:preincalzitoare , racitoare, condensatoare , racitoare-condensatoare , refierbatoare , vaporizatoare, cristalizatoare , recuperatoare , regeneratoare (schimbatoare de caldura propriu zise).

Dupa modul de contactare al fluidelor se deosebesc trei clase de aparate : schimbatoare de caldura de suprafata , schimbatoare de caldura prin contact direct (de amestec) , schimbatoare de caldura cu fluid intermediar stationar .

Schimbatoarele de caldura de suprafata se caracterizeaza prin faptul ca cele doua fluide care schimba caldura intre ele sunt separate prin pereti metalici , in majoritatea cazurilor cilindrici (tubulari) . Aceste schimbatoare sunt cele mai frecvent utilizate .

Schimbatoarele de caldura prin contact direct nu contin pereti despartitori intre fluide si cum fluidele vin in contact nemijlocit , transferul de caldura este insotit si de un proces de transfer de masa .

Schimbatoarele de caldura cu fluid intermediar stationar sunt de conceptie mai recenta , se utilizeaza in cazuri practice caracteristice si prezinta unele avantaje specifice . Ele se caracterizeaza prin faptul ca transferul de caldura de la fluidul cald la cel rece , care sunt in curgere libera prin schimbator , este mijlocit de un fluid intermediar stationar in aparat .

Dupa tipul constructiv al aparatului se deosebesc numeroase clase de schimbatoare , principalele tipuri fiind prezentate in cele ce urmeaza , cu exceptia schimbatoarelor cu fascicul tubular in manta care , fiind cele mai utilizate , se trateaza pe larg .

Schimbatoarele “tub in tub” (Fig. 1) constau in doua tuburi concentrice , un fluid circuland prin tubul interior , iar celalalt fluid prin spatiul inelar (intertubular) .Aceste schimbatoare prezinta avantajul de a lucra in contracurent , dar sunt voluminoase si grele , in raport cu aria de transfer .

Fig.1Schimbător tub în tub

Schimbatoarele de caldura cu placi lucreaza cu presiuni relativ mici pentru ambele fluide si au inceput sa fie utilizate si in industria petrochimica , ele fiind usoare si cu gabarit mic in raport cu aria de transfer .

4

Schimbatoarele de caldura cu fascicul tubular in manta sunt cele mai utilizate tipuri de schimbatoare . Ele au o arie specifica de transfer de caldura relativ mare (18-40 m2/m3) consum specific de metal relativ redus (35-80 Kg/m2)

Refierbatoarele sunt aparate de schimb de caldura cu fascicul tubular prin care se realizeaza aportul de caldura la baza unor coloane de fractionare . Aportul de caldura duce la vaporizarea partiala a lichidului de la baza coloanei . Caldura necesara se obtine prin condensare de abur , prin racirea unei fractiuni petroliere calde . In cazul unor sarcini termice mari sau al unor temperaturi de vaporizare mari , aportul de caldura la baza coloanei se realizeaza printr-un cuptor-refierbator , la care se consuma combustibil .

Refierbatoarele tip schimbatoare de caldura sunt de mai multe tipuri constructive si functionale,tipurile principale fiind prezentate in continuare.In Fig. 2 este redata schema unui refierbator termosifon vertical cu recirculare .Refierbatorul este un schimbator de caldura cu fascicul tubular in manta , rigid si cu un singur pas in tuburi , plasat vertical .

Fig. 2Refierbător termosifon vertical cu recirculare

Prin spatiul intertubular al refierbatorului circula agentul de incalzire(de exemplu abur saturat care condenseaza; evacuarea condensului se face printr-o oala de condens , care asigura inchiderea hidraulica). Debitul de agent de incalzire este reglat de u regulator de temperatura , care asigura o temperatura constanta pentru lichidul din baza coloanei . O parte din lichidul din baza coloanei circula natural (prin termosifonare) , prin tuburile refierbatorului , are loc o vaporizare partiala si amestecul de lichid si vapori reintra in coloana , in care are loc separarea fazelor . Refierbatorul prezentat este cu recirculare , pentru ca o parte din lichidul reintrat in coloana poate ajunge din nou in tuburile refierbatorului .In Fig. 3este redata schema unui refierbator termosifon orizontal fara recirculare.

5

Fig.3Refierbător termosifon orizontal fără recirculare

In acest caz , vaporizarea lichidului , tot partiala se realizeaza in mantaua refierbatorului.Daca se lucreaza fara recirculare , refierbatorul este alimentat , fie direct din deversor , fie dintr-un compartiment realizat la baza coloanei si alimentat de deversor. Se constata ca lichidul din amestecul evacuat nu mai poate reveni in refierbator.Debitul de lichid care alimenteaza refierbatorul este constant si egal cu debitul deversat de pe taler , acest lichid trecand o singura data prin refierbator .

Refierbatoarele termosifon fara recirculare nu sunt recomandabile pentru debite foarte mari de vaporizat , in raport cu debitul de produs de baza al coloanei . La aceste refierbatoare nu se utilizeaza notiunea de coeficient de recirculare , ci numai fractia masica a vaporizatului din amestec , care obisnuit este mai mare decat la refierbatoarele cu recirculare . In Fig. 4 este redata schema unui refierbator orizontal cu spatiu de vapori.Acesta lucreaza fara recirculare si se caracterizeaza prin faptul ca separarea fazelor se face in refierbator si nu in coloana .

Fig.4Refierbător orizontal cu spaţiu de vapori (Kettle)

6

Mantaua refierbatorului contine in partea inferioara un fascicul de tuburi care ocupa o inaltime mai mica decat diametrul mantalei . Tuburile sunt sustinute obisnuit prin placi suport in forma de sfert de cerc .

Refierbatoarele cu spatiu de vapori sunt constructiv mai complicate si nu lucreaza cu presiuni prea ridicate .Circulatia prin refierbator se realizeaza prin termosifonare . In Fig. 5 este redata schema unui refierbator interior orizontal .Acesta consta intr-un fascicul tubular plasat in stratul de lichid din baza coloanei , al carui nivel se mentine constant . Refierbatoarele interioare se utilizeaza in cazul sarcinilor termice mici si al coloanelor de diametru mare . Ele se utilizeaza in prezent si la striparea de fractiuni petroliere , la care s-a renuntat la striparea directa cu abur . Aportul de caldura se realizeaza prin intermediul unei fractiuni petroliere mai calde .

Fig.5Refierbător interior orizontal

Produsul cald utilizat este produsul petrolier , care este agent de incalzire in acest sistem si vine cu un aport de caldura suficient pentru amestecul de vapori componenti . Produsul rece care se gaseste in baza coloanei este n-octan . In prezentul proiect se efectueaza dimensionarea tehnologica a unui refierbator orizontal cu spatiu de vapori care lucreaza cu o sarcina termica de 984.000 W. Refierbatorul este alimentat din baza coloanei de fractionare cu 50 t/h n-octan la presiunea de 5 bar si temperatura de 196C. Pentru incalzire se utilizeaza o fractiune petroliera care cedeaza caldura de la 3000C la 2400.

7

CAPITOL 1 -- Date de proiectare

Varianta 7

Fluid cald (produs petrolier)

Debit de produs petrolier, t/h 40

Densitate, ,d420 , g/cm3 0,860

Factor de caracterizare, k 11,0

Temperatura intrare , tc1 , C 120

Temperatura iesire , tc2 , C 50

Fluid rece (apa)

Temperatura intrare , tr1 , C 25

Temperatura iesire , tr2 , C 40

Dimensiuni tuburi : de=25 mmdi=21 mm

8

CAPITOLUL 2 –Breviar cu rezultate

Caracteristica Valoare Unitate de masura

Caldura cedata, Qcedat W

Debit de apa, mr Kg/s

Aria recalculata, Aerec m2

Coeficientul partial de caldura la interiorul tuburilor, αi

W/m2oC

Coeficientul partial de caldura la interiorul tuburilor, αe

W/m2oC

Coeficientul global de caldura la exterirul tuburilor faradepuneri , ked

W/m2oC

Coeficientul global de caldura la exterirul tuburilor cu depuneri , keddep

W/m2oC

Aria necesara, Aenec m2

Supradimensionarea, S

9

CAPITOLUL 3 : Bilant termic pe schimbator

Fluidul care cedeaza caldura este produsul petrolier.

Caldura specifica a produsului petrolier se calculeaza cu relatia :

=>

Unde i respectiv i’ reprezinta entalpiile apei la temperaturile 25 si 40 °C.

10

CAPITOLUL 4 : Stabilirea geometriei aparatului

Se considera circulatia fluidelor in contracurent si astfel se va calcula cu urmatoarea

relatie :

tc2=50oC

tr2=40oC

tr1=25oC

Δtcr=25oC Δtcc=80oC

oC

Δtcc reprezinta diferenta de temperatura la capatul cald si se calculeaza conform relatiei :

Δtcc= tc2 – tr1

Δtcr reprezinta diferenta de temperatura la capatul rece si se calculeaza astfel : Δtcr= tc2 – tr2

Se va presupune coeficientul global de transfer de caldura conform literaturii[1] intre

valorile corespunzatoare procesului pe care il studiem.

Presupun ked =300 W/m2 0C

Se va calcula aria exterioara de transfer termic cu relatia :

Ae=113.08 m²

Cunoscand aria exterioara se determina geometria schimbatorului :

 ; unde :

11

reprezinta diametrul exterior al tuburilor [mm] ;

L este lungimea tuburilor [m], pe care o vom presupune noi;

reprezinta numarul de tuburi.

Cu ajutolul relatiei anterioare se determina numarul de tuburi:

Se va standardiza conform literaturii [1] numarul de tuburi dar si numarul de pasuri (

) ,pasul tuburilor (s) si diametrul interior al mantalei ( ) precum si asezarea tuburilor in

manta.

Date standardizate :

ntSTAS=374 tuburi

np=2 pasuri

s= 32 mm

asezarea tuburilor este in patrat rotit astfel ca Di =0,7 m

Cu aceste valori standardizate se va recalcula Ae si apoi se verifica coeficientul global

de transfer de caldura presupun.

Aerec=ntSTAS*π*de*L =117.496 m2

Kedverif =288.729 w/m2∙oC

Verificare :diferenta intre Ked presupus si Ked verificat sa nu depaseasca 50 w/m²°C, astfel

ca presupunerea a fost corecta diferenta fiind de 11.271 w/m2∙oC

12

CAPITOLUL 5 : Calculul coeficientului partial de transfer de caldura la

interior, αi

Prin interiorul tuburilor circula apa, astfel pentru a determina viteza de circulatie a

acesteia prin tuburi se vor determina mai intai proprietatile ei.

Toate proprietatile se vor determina la temperatura calorica a apei.

Temperatura calorica se calculeaza cu ajutorul factorului caloric :

[°C]

Caracteristica da , kg/m3 λa,w/m oC µa, kg/m*s

30°C 995.7 0.617 8.015*10-4

40°C 992.2 0.634 6.359*10-4

Tc1 31°C 995.4 0.619 7.849*10-4

Capacitatea calorica a apei se detrmina din fluxul termic cedat= >Cp=4173 J/Kg°C

Se vor calcula criteriile de similitudine :

•

•

13

CAPITOLUL 6Calculul coeficientului partial de transfer de caldura la

exteriorul tuburilor,αe

La exteriorul tuburilor circula produsul petrolier, astfel pentru a determina

coeficientul partial de transfer de caldura la exteriorul tuburilor de vor determina mai intai

proprietatile acestuia la tempreratura calorica a produsului petrolier.

[°C]

a) Determinarea densitatii produsului petrolier la temperatura calorica

Aceasta proprietate se determina cu ajutorul relatiei :

[Kg/m³]

b) Determinarea capacitatii calorice a produsului petrolier

se determina cu aceiasi formula ca la capitolul 3.

Cp=2022 J/KgoC

c) Determinarea conductivitatii termice

[w/m°C]

λ=0,13 w/moC

d) Determinarea vascozitatii cinematice

Vascozitatea cinematica se determina din grafice din literatura, in lucrarea de fata aceasta

proprietate a fost determinata din "Echipamente de transfer termic si utilaje specifice"

Dumitru Dobrinescu pag 319.

υpp=0.82*10-6 m2/s

e) Variatia viscozitatii dinamice

14

µpp=υpp*dpp=6.725*10-4kg/m*s

Pentru calculul coeficientului partial de transfer de caldura la exterirul tuburilor se

foloseste metoda Delaware.

Determinarea diametrului sicanei,Ds:

Diametrul sicanei este mai mic decat diametrul interior al mantalei cu 3-6 mm,aceasta

toleranta variind in functie de Di.

Ds=Di -4.4*0.001=0.696 m

Diametrul orificiilor din sicana este mai mare cu 0.5-1 mm.Alegerea unei valori se

face din tabel in functie de distanta dintre sicane,x=0.15 m, astfel ca:

Do=de+0.8*0.001=0.026 m

Diametrul fascicului de tuburi se determina din date practice si este :

Df=Di-12*0.001=0.688 m

Coeficientul de convectie se calculeaza prin urmatoarea metoda:

Pentru asezarea in patrat rotit a tuburilor Nu se calculeaza astfel:

Viteza fluidului se calculeaza pentru sectiunea centrala libera dintre doua sicane alaturate:

Calculul vitezei fluidului prin manta:

Se vor calcula criteriile de similitudine :

•

•

Parametrul z se determina din tabel (pag 339 Dobrinescu) in functie de D i si de

raportul h/Di,unde h reprezinta inaltimea sicanei.

Z=0.75

Numarul tuburilor din fereastra se determina cu relatia

15

Aria totala a ferestrei se determina din tabel in functie de raportul h/Di :

Af=0.11182*Di2=0.055 m2

Aria libera a ferestrei sicanei se calculeaza cu relatia :

=0.032 m2

Factorul C1tine seama de inaltimea relativa a sicanei si ia valori intre 1-1.5 si se

calculeaza astfel :

Factorul C2 tine seama de curgerile longitudinale secundare printre sicana si manta si

printre tuburi si orificiile din sicana.Acesta se citeste din tabel in functie de anumiti

parametrii ce urmeaza a fi determinati.

Unghiul la centru al coardei sicanei este de 106oastfel ca

Coeficientul C2 se citeste in functie de[(asm+ato)/S, asm/(asm+ato)] si are valoarea

C2=0.59

Factorul C3 tine seama de curgerile transversale laterale, printre fascicul si

manta.Valoarea lui C3 se poate mari prin amplasare de sicane longitudinale de etansare.

Se admite numarul perechilor de sicane de etansare Ns1=2.

Calculul numarului de siruri plasate intre marginile ferestrelor.

sp=s =0.045

Nif=9.281

16

C3=0.977

Nupp=163.31

αe=1011 w/m2 oC

Verificarea coeficientului global de transfer de caldura la exteriorul tuburilor pentru

tuburi fara depuneri se face considerand tpi = tpe = tp

Diferenta de temperatura la exteriorul tuburilor este :

Temperatura peretelui este tp = tc11-36=42oC.

Viscozitatea apei la temperatura peretelui se determina prin interpolare>

µpa=6.33*10-4 kg/m*s

Se determina densitatea fractiunii petroliere la temperatura peretelui care este, ρppp=844.856 kg/m3.

Viscozitatea cinematica se determina din grafic si este :υppp=3.5*10-6 m2/s.

Viscozitatea dinamica la temperatura peretelui este :

µppp=ρppp*υppp=2.957*10-3 kg/m*s.

Coeficientul partial de transfer de caldura la interiorul tuburilor este :

w/m2oC

Coeficientul partialde transfer de caldura la exteriorul tuburilor este :

17

18

CAPITOLUL7Calculul suprafetei de schimb de caldura necesara

schimbatorului

Se va determina pentru inceput coeficientul global de transfer de caldura cu depuneri

conform relatiei :

[w/m²°C] unde :

reprezinta rezistenta depunerilor la interiorul tuburilor aleasa conform literaturii, in functie

de fluidul care circula in interiorul acestora [m²°C/w]

rezistenta depunerilor la exteriorul tuburilor aleasa conform literaturii in functie de fluidul

care circula la exteriorul acestora [m²°C/w]

Rde =0.00176 [m²°C/w]

Rdi=0.00035 [m²°C/w]

λo= 24.50 w/moC

Ked = 265.034 [w/m²°C]

=108.509 [m²]

Supradimensionarea aparatului se poate calcula :

=7.649 [%]

Verificare : supradimensionarea trebuie sa se situeze intre valorile de 5 si 20 %.

19

CONCLUZII

Dimensionarea tehnologica a unui schimbator de caldura se face in scopul cresterii parametrilor si performantei reale de functionare, in raport cu datele prevazute in proiect, al cunoasterii variatiilor acestora in timp si al constatarii sub/supradimensionarii aparatului, in raport cu sarcina termica prevazuta.

Pentru a realiza dimensionarea unui astfel de aparat este necesar sa se cunoasca urmatoarele :

a. natura celor doua fluide de lucrub. debitele acestorac. temperaturile de intrare si iesire ale acestorad. presiunile initiale si finalee. dar si datele geometrice ale aparatului.

Prima operatie efectuata este bilantul termic al racitorului prin aplicarea ecuatiei calorice pentru cele doua fluide de lucru. Daca intre fluxul termic cedat de catre fluidul cald si cel primit de catre cel rece exista o diferenta apreciabila,se poate afirma ca datele folosite nu sunt bune trebuind revizuite.

Se stabilesc temperaturile calorice ale celor doua fluide si in functie de aceasta se determina proprietatile fizice.

Se determina diferenta medie de temperatura si vitezele caracteristice ale fluidelor prin aparat, comparandu-se cu datele din proiect si cu datele din literatura.

Se fixeaza care fluid circula prin tuburi si care circula prin manta : apa prin manta si produsul petrolier prin tuburi.

Se presupune in conformitate cu recomandarile din literatura coeficientul global de transfer de caldura cu depuneri, corespunzator ariei exterioare de transfer de caldura.

Tuburile folosite in acest schimbator de caldura au diametrul interior de 21 mm si cel exterior de 25 mm. Lungimea tuburilor este in majoritatea cazurilor 6 m in functie de necesitati, dar se pot folosi si tuburi de urmatoarele lungimi : 2,3,4,9,12 m.

In functie de aceasta lungime si de presupus se calculeaza numarul de tuburi care se vor standardiza.

Cu ajutorul relatiei lui Newton, dupa recalcularea ariei exterioare de transfer de caldura din datele geometrice ale aparatului,si se stabileste valoarea reala a coeficientului de transfer de caldura cu depuneri cu care lucreaza aparatul, luand in considerare si rezistentele termice ale depunerilor.

Se verifica apoi aria sectiunii verticale a spatiului de vapori prin cele doua variante : varianta analitica si grafica.

20

Schema simplificata a schimbatorului de caldura este prezentata in figura 6 :

Fig.6.Schema simplificata a unui schimbator de caldura cu sicane

21

BIBLIOGRAFIE

1. Dobrinescu D. "Procese de transfer termic si utilaje specifice", Editura Didactica si Pedagogica,Bucuresti,1983

2. Suciu G.C. "Ingineria prelucrarii hidrocarburilor,vol 4" editura Tehnica, Bucuresti, 1993

3. Somoghi V., Patrascu M., Patrascu C.,Dobrinescu D., Ioan V. "Proprietati fizice utilizate in calcule termice si fluidodinamice" ,Editura Universitatii Petrol si Gaze, Ploiesti, 1997

4. Cursul de procese de transfer de caldura, titular curs Patrascu C.

22