6

1. Schimbătoare de căldură

Aparatele termice care servesc la realizarea unor operații ce presupun trecerea căldurii de la un loc la altul de la o materie la alta se numesc schimbătoare de căldură.

Majoritatea schimbătoarelor de căldură conțin două incinte în care circulă cele două substanțe participante la schimbul de căldură. Peretele care desparte cele două spații este suprafața de transfer de căldură.

Într-un schimbător de căldură trebuie să se realizeze un schimb de căldură cât mai intens cu o pierdere de presiune a fluidului circulant cât mai mică. De obicei însă presiunea lichidelor corespunde înălțimii limitate a rezervorului sau presiunii de pompare şi se cere să se găsească compromisul cel mai rațional din punct de vedere economic intre un bun schimbător de căldură şi un cât mai mic consum de energie la pompă.

Schimbătoarele de căldură propriu-zise, adică preîncălzitoarele şi răcitoarele în formele lor principale, se clasifică în două grupe:

recuperatoare, în care schimbul de căldură se face de la fluidul cald la fluidul rece, prin perete despărțitor, în regim staționar

regeneratoare, în care schimbul de căldură se face prin intermediul unui solid care înmagazinează căldură de la fluidul cald şi o cedează apoi fluidului rece, în regim nestaționar, periodic.

1.1. Recuperatoare de căldură1.1.1. Schimbătoare de căldură cu serpentine

Pentru debite mici de fluid, sunt indicate schimbătoarele de căldură cu una sau mai multe serpentine. Aceste aparate sunt formate dintr-un recipient închis sau deschis, prin care trece lichidul rece şi din serpentinele prin care circula fluidul cald. Aceste schimbătore de căldură nu pot fi folosite pentru lichidele care formează cruste sau depuneri greu de curățat, în interiorul serpentinei.

1.1.2. Schimbătoare de căldură cu țevi coaxiale

Se folosesc tot pentru debite mici şi se construiesc prin legarea în serie sau în paralel, a unor elemente compuse din două țevi coaxiale, prin coturi şi punți filetate sau sudate. Un alt avantaj al acestor aparate alcătuite din țevi cu diametre relativ mici, este buna lor rezistență la presiune.

6

Fig. 1.1. Schimbator de cădură cu țevi coaxiale

1.1.3. Schimbătoare de căldură tubulare

Acestea sunt cele mai reprezentative şi cele mai folosite schimbătoare de căldură împărțindu-se în două categorii:

Schimbătoarele tubulare simple sunt construite dintr-un fascicul de țevi fixate in găurile a două placi tubulare. La extremități sunt două camere acoperite cu capace. Fasciculul de țevi este închis într-o manta.

În interiorul aparatului se separă două spații cel dintre țevi şi manta şi spațiul din interiorul țevilor.

Fig. 1.2. Schimbător de căldură tubular cu Fig. 1.3. Schimbător de cădură tubular cu doua treceri prin tevi şapte treceri prin ţevi

6

Se construiesc schimbătoare tubulare cu mai multe treceri prin țevi deoarece coeficientul de transfer creste cu creşterea vitezei fluidului. Dirijarea lichidului se face prin pereti despartitori etansi, prevazuti in camerele de la capetele tevilor.

Fluidul circulă prin interiorul țevilor şi parcurge de mai multe ori aparatul , trecând intr-un sens şi in sens contrar prin cate o fracțiune din numărul țevilor fasciculului

Pentru marirea vitezei fluidului care curge printre tevi, si deci marirea coeficientului de transfer, se monteaza sicane transversale care au avantajul ca dirijeaza curentul de fluid in directie perpendiculara pe fasciculul de tevi.

1.1.3.1. Calculul schimbătoarelor de căldura cu mai multe treceri şi cu sicane

La schimbătoarele de căldura cu mai multe treceri transferul termic nu se face numai în curent paralel sau numai în contracurent ci într-un mod combinat.

In aceste condiții transmiterea căldurii este prea complexă pentru un raționament analitic riguros.

Se foloseşte următoarea metodă de calcul:

Se determină factorii P şi R:

1.1.

1.2.

Unde

t1’ este temperatura la intrarea fluidului cald;

t1’’ temperatura la ieşirea fluidului cald;

t2’ temperatura la intrarea fluidului rece;

t2’’ temperatura la ieşirea fluidului rece.

Cu ajutorul factorilor P şi R si al diagramei specifice tipului de schimbător se determină factorul F.

6

Media logaritmică a diferențelor de temperatură, corectată pentru curentul mixt sau încrucişat este:

1.3.

1.4.

1.1.3.2. Indicații pentru proiectarea schimbătoarelor de căldură tubulare

Pentru schimb de căldură fără condensare, poziția verticală sau orizontală a schimbătoarelor este determinată de locul disponibil şi de considerații tehnologice asupra întregii instalații. Când schimbul de căldură se face cu condensare de vapori, coeficientul de transfer este mai mare in țevi orizontale; când condensarea este urmată de racirea condensatului, aşezarea verticalş este preferabilş.

Ca regulă generală, prin țevi va circula fluidul mai cald, cu debit mai mic, cu viscozitatea mai mică, cu presiune mai mare, cel care fomează cruste, depuneri, cocs, cristele etc, lichidul corosiv, iar printre țevi pot circula fluidul cu viscozitate mai mare, gazele, vaporii.

Pentru schimbătoarele de căldură industriale, grosimea placilor tubulare trebuie să fie cel puțin cât diametrul exterior al țevilor şi, în orice caz mai mare de 22mm. Grosimea mantalei se ia cu 3mm mai mare decât cea care rezultă din calculul obişnuit de rezistență, pentru a ține seama de coroziune. Grosimea şicanelor din spatiul dintre tevi se ia de 4,5- 6 mm, dar cel puțin de doua ori mai mare decat grosimea peretelui tevilor.

Ţevile schimbătoarelor de căldură se repartizează cât mai uniform pe secțiunea transversală a mantalei, în cercuri concentrice, în pătrat sau în hexagon. Dispunerea țevilor in pătrat are avantajul ca permite curățirea în două direcții. Dispunerea țevilor în hexagon corespunde la utilizarea optimă a secțiunii. Ţevile se aşează cât mai aproape una de alta pentru a mări viteza fluidului care circulă printre țevi şi pentru a realiza o concentrare cât mai mare a suprafeței de transfer.

La aşezarea în hexagon, numarul n de țevi din m hexagoane se calculează cu ecuația

1.5.

6

1.1.4. Schimbătoare de căldură spirală

Fig. 1.4. Schimbator de caldura in spirala

Sunt formate din două table curbate in spirala şi fixate prin sudura intre doi pereți laterali plani, astfel incit sa se separe două spatii spirale prin care circula in curent paralel sau in contracurent, cele două fluide intre care se face transferul termic. Schimbătoarele de căldura spirale au avantaje importante: fluidele circula prin spatiul spiral cu sectiune constanta, fara variatie de viteza si fara locuri cu circulatie lenesa unde de obicei se acumuleaza depunderi, dispunerea in spirale paralele a tablelor realizeaza o mare concentratie a suprafetei de transfer.

Schimbătorul spiral se foloseşte în mod convenabil la recuperarea caldurii chiar la diferente de temperatura de câteva grade.

1.2. Regeneratoare de căldură

Regeneratoarele sunt schimbătoare de căldură funcționând in două faze care se succed alternativ:

faza de încălzire, in care căldura unui fluid cald este acumulata de un material solid faza de răcire in care materialul solid cedează căldura unui alt fluid.

Din cauza funcționării intermitente, se cuplează câte două regeneratoare identice, astfel încât totdeauna unul sa fie în faza de încălzire iar celălalt în faza de răcire.