STADIUL ACTUAL INAREA SI CONSTRUCTIA SCHIMBATOARELOR DE CALDURA

STADIUL ACTUAL IN PROIECTAREA SI CONSTRUCTIA SCHIMBATOARELOR DE CALDURA

l.l Consideratii generale

Clasificarea schimbatoarelor de caldura se poate face pe baza a doua criterii generale:

1. Criteriul tehnologic constructiv:

a)Dupa scopul aparatului

. cuprins, de regula chiar in denumirea acestuia:incalzitor,vaporizator, condensator, preancalzitor, economizor, supraancalzitor, fierbator, distilator racitor, acumulator, recuperator, transformator de abur, radiator, boiler, degazor, turn de racire, scruber, calorifer etc.

b)Dupa tipul constructiv al aparatului:

schimbator de caldura prin suprafata, in care agentii termici nu se amesteca intre ei, trecerea caldurii avand loc printr-un perete despartitor;

schimbatoare de caldura prin amestec, in care transferul caldurii are loc in conditiile amestecarii agentilor termici;

c)Dupa sistemul de lucru al aparatului:

aparate recuperatoare cu sau fara amestecul agentilor termici, la care schimbul de caldura se efectueaza in regim termic stabilizat;

aparate cu actiune discontinua, la care transferul caldurii are loc intermitent(aparate acumulatoare in care caldura este inmagazinata cand este disponibila si livrata apoi la cerere) sau periodic aparate(aparate regeneratoare, in care in mod ciclic caldura purtata de agentul cald se acumuleaza intr-un material inert, care nu reactioneaza chimic cu purtatorii de caldura, fiind apoi cedata agentului rece);

d)Dupa sensul relativ de circulatie a agentilor termici:

. aparate echicurent;

. aparate in contracurent;

. aparate in curent incrucisat;

. aparate in curent mixt;

e)Dupa natura agentilor termici:

. aparate lichid-lichid;

. aparate gaze(vapori)- lichid;

. aparate gaze-gaze;

f)Dupa geometria suprafetei de schimb de caldura:

. aparate cu tevi(tubulare);

. aparate cu placi sau cu lameme;

. aparate cu suprafata extinsa(aripioare, nervuri, proeminente aciculare etc);

. aparate in serpentina, cu placi sau tevi spirale;

g)Dupa modul de prelucrare a dilatarilor termice:

. aparate rigide;

. aparate semielastice(cu compensor lenticular);

. aparate elastice(cu tevi in forma de U, cu cap mobil, presetupa la placa tubulara);

h)Dupa pozitia aparatului:

. aparate verticale;

. aparate orizontale;

i)Dupa numarul de treceri ale agentului termic prin aparat:

. aparate cu o trecere(longitudinala sau transversala);

. aparate cu doua sau mai multe treceri longitudinale sau transversale;

j)Dupa materialul folosit:

. aparate metalice;

. aparate nemetalice;

2.Criteriul transferului de caldura:

a)Aparate fara schimbarea starii de agregare a agentilor termici:

. aparate prin suprafata(cu perete despartitor);

. aparate prin amestec(fara perete despartitor);

Ambele pot fi in echicurent, contracurent, curent incrucisat sau curent mixt.

b) Aparate cu schimbarea starii de agregare a unuia sau a ambilor agenti termici:

. aparate prin suprafata(cu perete despartitor);

. aparate prin amestec(fara perete despartitor);

Si acestea pot fi in echicurent, contracurent, curent incrucisat sau curent mixt.

Tabelul 1.1 cuprinde o clasificare mixta constructiva si functionala a aparatelor schimbatoare de caldura.

Criterii de alegere:

Cunoasterea in detaliu a factorilor principali care determina dimensionarea si utilizarea aparatelor schimbatoare de caldura( schema tehnologica, parametrii tenniei, hidraulici si mecanici nominali si maximi admisibili, tipul constructiv si materialele folosite, regimul de functionare, conditiile de amplasare, montaj, exploatare si intretinere, caracterul si evolutia in timp a depunerilor, posibilitatea

reparatiei si accesul la suprafata de schimb de caldura, costul si economicitatea aparatului) este absolut necesara la adoptarea unor decizii tehice si economice adecvate. Aparatul cu tevi si manta reprezinta inca tipul cel mai frecvent utilizat de schimbator de caldura.Solutiile constructive difera intre ele prin metodele folosite pentru reducerea eforturilor termice dintre tevi si manta.

In tabelul 1.2 se prezinta unele indicatii folosite la alegerea tipului de aparat tubular de transfer de caldura.Schimbatorul cu placi tubulare fixe este cel mai simplu de executat si cel mai ieftin.Pentru ambele fluide, conditiile de etansare sunt foarte bune.Scurgeri pot aparea datorita neetanseitatilor imbinarii tevilor la placa tubulara sau perforarii teviior.Principalele dezavantaje le constituie eforturile termice ridicate dintre tevi si manta, care slabesc imbinarea tevilor si imposibilitatea curatarii mecanice a exteriorului tevilor.Aceasta constructie este adecvata pentru fluide sau pentru depuneri care pot fi indepartate chimic, cazuri in care nu este necesar un fascicol tubular demontabil.

O solutie imbunatatita care reduce eforturile termice o constituie aparatul cu placi tubulare fixe si compensator lenticular pe manta.Folsirea lui este limitata, de regula la presiuni in manta sub 7 bar; peste aceasta valoare peretele compensatorului este mai gros si mai putin flexibil .Anumite tipuri de compensatoare permit totusi presiuni de pana la 40 bar.

Schimbatorul cu cap intern mobil elimina eforturile dintre tevi si manta, fasciculul este demontabil pentru curatare iar mantaua.

asigura o etansare corespunzatoare cu exteriorul.Principalul dezavantaj este legat de garnitura interna a capului mobil, care se poate defecta in functie de toxicitate sau reactivitatea fluidelor.

La aparatele cu fascicul tubular U, acesta este demontabil, eliminand efortul dintre tevi si manta si necesitand o singura prindere de manta, la capatul fix.Acestea au insa dezavantajul unei inlocuiri si curatari dificile.

Aparatele cu placi tubulare duble se folosesc atunci cand scurgerile intre fluide trebuie evitate sau cand pot aparea neetanseitati la imbinarile tevilor la placa tabulara.

Schimbatorul de caldura cu etansare cu capmanta cu presgaritiua exterioara permite accesul la garnituri, iar fasciculul tubular fiind demontabil.Sistemul de etansare poate fi proiectat pentru pana la 40 bar dar intotdeauna exista posibilitatea unor scapari in mediul ambiant ale fluidului din manta.

Factorii care influenteaza performantele unui schimbator de caldura pot fi grupati in trei categorii si anume:

. datele procesului tehnologic;

. variabilele de proiectare;

. proietatile fizice ale fluidelor si peretelui despartitor;

Din datele procesului tehnologic rezulta, de regula, sarcina termica a schimbatorului de caldura in majoritatea aplicatiilor se cunosc de obicei variatia de temperatura a fluidului principal si temperatura de intrare a mediului de racire sau incalzire(aleasa din cateva alternative) atentie deosebita trebuie data alegerii pierderilor admisibile de presiune ale agentilor termici Δ_p1 si Δ_p2 ricarea acestora poate condiice la viteze mai mari de curgere a fluidelor,la cresterea turbulentei,cu efecte pozitive asupra transferului caldurii, dar acest lucru influenteaza negativ costul energiei de pompare pe toata durata de exploatare a aparatului.

Alegerea tipului de aparat si proiectarea lui pentru o sarcina termica si un proces tehnologic dat reprezinta dimensionarea geometrica si mecanica a schimbatorului de caldura ( stabilirea schemei de curgere, a sectiunilor de curgere a fluidelor, optimizarea vitezelor si a pierderilor de presiune).

In figura 1.1 de mai jos, sunt aratate cele patru scheme principale de curgere a agentilor termici prin schimbatoarele de caldura si anume:

. curgere in echicurent, cand ambele fluide parcurg aparatul in aceeasi directie si sens;

. curgere in contracurent, cand fluidele au aceeasi directie dar sensuri opuse m aparat

curgere in curent incrucisat simplu, cand unul din fluide curge perpendicular pe directia

de curgere a celuilalt fluid;

curgere in curent mixt, cand unul dintre fluide schimba de mai multe ori directia si

sensul de curgere fata de celalalt fluid.

a)echicurent; b)contracurent; c)curent incrucisat; d)curent mixt;   1-fluid primar; 2-fluid secundar

Dupa cum rezulta din figura 1.2, diferenta cea mai importanta dintre aceste tipuri de curgere relativa a celor doi agenti termici consta in marimea diferita a suprafetei de schimb de caldura necesare pentru a produce o crestere data de temperatura, pentru aceeasi diferenta de temperatura intre cele doua fluide la intrarea in aparat.Eficienta schemei de curgere scade in urmatoarea ordine: contracurent, curent mixt, curent incrucisat, echicurent.

→Cresterea temperaturii fluidului in procente din diferenta de temperatura intre cele doua fluide Fig. 1.2 Suprafata relativa de schimb de caldura necesara in functie de raportul dintre cresterea (sau scaderea) de temperatura a fluidului cu variatia mai mare de temperatura si diferenta intre temperaturile de intrare ale fluidelor in aparat

O variabila de proiectare extrem de importanta o constituie rezerva de suprafata de schimb de caldura pentru compensarea efectului depunerilor.Din punct de vedere termic, depunerile reprezinta o rezistenta la transferul caldurii in aparat, actionand in sensul reducerii coeficientului de schimb de caldura si a maririi suprafetei necesare.Prin proiectare, depunerile se pot micsora prin viteze mai mari ale fluidelor, prin cresterea turbulentei si printr-o distributie mai buna a curgerii.

Proprietatile fizice ale agentilor termici influenteaza transferul de caldura prin convectie;astfel fluidele cu valori mai mari ale conductivitatii termice λ,densitatii ρ si caldurii specifice C_p si cu vascozitati dinamice η sau cinematice ν mai mici realizeaza coeficienti de schimb de caldura mai ridicati.De asemenea rezistenta termica a peretelui despartitor intre fluidele schimbatoare de caldura scade prin alegerea unor materiale cu conductivitati termice λ_p mai mari .

Consideratii generale de proiectare:

Alegerea si dimensionarea schimbatoarelor de caldura necesita efectuarea calcului termic, hidraulic, mecanic si economic al aparatului, stabilirea unor elemente de tehnologie, exploatare si intretinere a acestuia.ln parcurgerea acestor etape se tine seama de o serie de criterii si recomandari rezultate din experienta de proiectare si exploatare a schimbatoarelor de caldura, in continuare prezentindu-se cele mai importante dintre acestea:

a)Performantele transferului de caldura

De regula, datele procesului tehnologic permit fixarea temperaturilor de intrare si de intrare si de iesire pentru fiecare fluid.Cu acestea se determina eficienta aparatului si se alege schema de curgere adecvata.

Pe baza debitelor egentilor termici se aleg vitezele de curgere(0.5-6 m/s pentru lichide si 3-30 m/s pentru gaze) si se dimensioneaza sectiunile transversale de curgere.Se evita vitezele ridicate care pot produce eroziune, vibratia tevilor, instabilitatea curgerii( Ia sistemele cu circulatie naturala) sau zgomot( la aparatele de aer conditionat).

Performantele termice ale aparatului sunt puternic influentate de depunerile pe suprafata de schimb de caldura.La nivelul cunostintelor actuale depunerile reprezinta un factor apreciat cu multa incertitudine din cauza prevederea lui trebuie cat mai bine justificate.Depunerile depind de fluid, de temperatura si viteza acestuia si. intr-o oarecare masura, de starea suprafetei de schimb de caldura si de materialul utilizat.

b)Restrictii de dimensiuni(lungime, inaltime, volum, greutate)

Restrictiile pot apareadin incadrarea aparatului intr-o anumita instalatie din crearea spatiilor necesare pentru intretinerea si reparatii sau din respectarea unor conditii de securitate.

c)Factori economici

Acestia pot fi decisivi in alegerea schimbatorului de caldura.Acestia cuprind atat investitiile capitale initiale, cat si cheltuielile anuale ale aparatului, compuse din: cheltuieli de reparatie si intretinere, cheltuieli de amortizare, cheltuieli de curatare( inclusiv costul productiei tehnologice nelivrate, datorita intreruperii functionarii schimbatorului de caldura).

Ca exemplu, in figura 1.3 arata modul de detrminare a vitezei optime a agentului termic, prin minimalizarea sumei dintre cheltuielile anuale de amortizare si cheltuielile cu energia de pompare.

Fig. 1.3 Determinarea vitezei optime a agentului termic la un schimbator de caldura

d)Solicitariie mecanice

Pana la presiuni de 15 bar si temperaturi in metal de 150°C, solicitarile mecanice sunt neimportante, ele sunt insa hotaritoare la presiuni peste 70 bar sau temperaturi peste 540°C.La acesti parametri, capacele cu placile tubulare reprezinta elementul decisiv in alegerea geometriei schimbatorului de caldura, iar solicitarile mecanice reprezinta factor major in stabilirea materialului.Compensarea dilatarilor termice poate impune limitari deosebite in proiectarea aparatului, daca diferenta de temperatura dintre tevi si manta depaseste 40°C.

e) Conditii de matrial si de executie

Problemele de coroziune au practic intotdeauna importanta in alegerea materialelor pentru un anumit tip de schimbator de caldura.in cazul fluidelor corozive, poate aparea oportuna inlocuirea materialelor mai scumpe, rezistente la coroziune, cu materiale mai ieftine, dar cu cheltuieli mai mari de intretinere si inlocuire.De asemenea, alegerea unui material poate fi conditionata de problemele de fabricatie, sub aspectul compabilitatii materialului respectiv cu procedee tehnologice de executie.

f) Conditii de etansare

Aceste conditii trebuie specificate pentru cazul concret de utilizare a aparatului, iar pentru scurgerile relative intre fluide cat si pentru scurgerile de fluide catre mediul ambiant.

g)Deservire, reparatie si intretinere

Aceste operatii depind de cazul concret de utilizare a aparatului, impunand limitari specifice proiectarii.Astfel, prin cnstructie, trebuie sa se prevada posibilitatea executarii rapide si sigure a unor lucrari de remediere a neetanseitatilor, curatare a aparatului de depuneri, inlocuiri de tevi etc.

h)Conditii de functionare si control

in multe cazuri, raspunsul dinamic al schimbatorului de caldura la variatiile de sarcina are efecte importante asupra performantelor instalatiei.Inertia termica la pornire sau oprire, variatiile de presiune, fiabilitatea aparatului pot influenta functionarea stabila a sistemului, necesitand un echipament de masura si control automat adecvat.in fine, obtinerea unei anumite caracteristici de functionare a schimbatorului de caldura poate impune la proiectarea acestuia conditii particulare pentru viteze, pierderi de presiune, temperaturi, viteza de variatie a sarcinii termice etc.

Alegerea fluidului din manta influenteaza stabilirea tipului de schimbator de caldura, necesitand un compromis intre urmatorii fatcori:

. Posibilitati de curatire.Spatiul dintre tevi si manta este dificil de curatat, din care cauza   acesta reclama fluidul cel mai curat.

. Coroziune.Problemele de coroziune si conditiile de puritate a fluidelor pot impune folosirea unor aliaje scumpe; ca urmare este recomandabil ca fluidele respective sa curga prin tevi si sa evite astfel construirea unei mantale din oteluri aliate.

. Presiune.Fluidele cu presiune ridicata sunt plasate in tevi; in caz contrar mantalele solicitate la presiune ridicata, datorita diametrelor lor, au pereti grosi si costuri mari.

. Temperaturi. Fluidele cu temperaturi mai mari trebuie sa se gaseasca in tevi. Temperaturi le ridicate reduc eforturile admisibile in materiale, efectul lor fiind similar efectului presiunilor mai mari in stabilirea grosimii peretilor mantalelor.De asemenea, din motive de securitate a personalului de deservire, plasarea fluidului mai cald in manta necesita o izolatie termica suplimentara.

Fluidele scumpe sau periculoase.Acestea trebuie pastrate in partea cea mai etansa a schimbatorului de caldura, respectiv in tevi.

. Debite.Se obtine o conceptie mai buna a aparatului prin plasarea debitului mai mic in manta.Ca rezultat, se evita o constructie cu mai multe tevi, care are o eficieta termica redusa si se obtine o curgere turbulenta in manta la numere Reynolds scazute.

. Vascozitatea.Numarul Reynolds critic pentru curgerea turbulenta in manta este de aproximativ 200. iar in tevi de 4000÷10000; in acest fel , cand curgerea este laminara in tevi, ea poate deveni turbulenta in manta.Daca totusi curgerea este laminara in manta, este recomandabil sa se revina

la plasarea fluidului respectiv in tevi pentru care exista relatii mai sigure de determinare a transferului de caldura si distributie a debitului.

. Pierderi de presiune.Daca acestea prezinta o importanta deosebita si trebuie detrminate precis. atunci fluidul respectiv trebuie plasat in tevi.Pierderile de presiune in tevi pot fi calculate cu erori mai mici .decat pierderile de presiune din. manta, ultimele se pot abate mult de la valorile teoretice in functie de scurgerile prin interstitiile din manta prevazute la tipul respectiv de aparat.

. Efectul sicanelor.in scopul imbunatatirii performantelor termice si hidraulice, schimbatoarele de caldura cu tevi si manta sunt prevazute cu sicane(pereti despartitori) in spatiul dintre tevi, avand urmatoarele functii principale: uniformizarea distributiei curgerii si transferului de caldura in fasciculul tubular, obtinerea unor diferente medii de temperatura intre cele doua fluide cat mai mari, sustinerea si rigidizarea sistemului tubular.

In functie de pozitia fata de fasciculul tubular, sicanele pot fi longitudinale, transversale sau combinatii ale acestora.Alegerea unui tip sau a altuia depinde de debitul de fluid, distributia vitezelor, numarul Reynolds(regimul de curgere), natura fluidului si caracterul depunerilor.Dintre diversele tipuri de sicane transversale, cele segmentate sunt mai utilizate.

La sicanele segmentate, pasul si taietura sicanei sunt marimi variabile care se aleg pe baza recomand arilor. Astfel, pasul sicanelor trebuie sa se gaseasca cuprins in intervalul (0.2÷l)D,unde D este diametrul mantalei; pasul minim nu coboara sub valoarea maxima dintre 5 [cm] (din motiv de curatire a fasciculului tubular) si 0.2D( recomandata de constructori).Taietura sicanei este de obicei de (0.2 ÷l)D; taieturile mai mari sunt asociate cu pasii mai mari ai sicanelor, in scopul uniformizarii pierderilor de presiune( in general sectiunile de curgere peste tevi si peste sicane trebuie sa fie aproximativ egale)

Fig. 1.4 Distributia debitului in spatiul dintre tevi Ia un schimbator cu tevi si manta A-scurgeri axiale prin intersectiile dintre tevi si sicana; B,C-debit principal;D-scurgeri axiale prin intersectiile dintre sicana si manta

Curgerea axiala prin interstitiile dintre sicana si manta si dintre sicana si tevi poate permite unei cote importante din debitul de fluid din manta sa ocoleasca fasciculul tubular(fig. 1.4), modificand transferul de caldura si distributia fluidului.Efectul acestui proces este de reducere sensibila atat a coeficientului efectiv de schimb de caldura, cat si a pierderilor de presiune, dupa cum se vede in fig. 1.5 prin proiectare si executie, aceste interstitii trebuie micsorate la minimum.

In concluzie, configuratia fasciculului tubuiar, structura curgerii, geometria si canei or(tip,pas,taietura), toleranta de fabricatie a tevi lor, mantalei si sicanelor sunt elemente care influenteaza curgerea axiala prin interstitii si debitele respective.Efectele produse de curgerile axiale prin interstitii sunt atat de complexe, incat considerarea lor in calcule este o problema dificila pentru care nu se dispune astazi o metoda precisa si unitara, ci de unele solutii laborioase aproximative.

Fig 1.5 Pierderea relativa de presiune Δ_p/ Δ_p0 si coeficientul relativ de convectieα/α₀ in functie de suprafata relativa de scurgere secundara prin intersectii A/ A₁ Ia o manta cu diametrul interior de 133 mm

1.2 Orientari si tendinte de dezvlotare;

Dezvoltarea din ultimul timp a sistemului termic cu performante ridicate(din energia nucleara si cea conventionala, tehnica spatiala, industria chimica si petroliera) a determinat cercetari experimentale si realizari constructive remarcabile in tehnica schimbatoarelor de caldura indreptate in urmatoarele directii principale:

.Intensificarea proceselor de transfer de caldura prin utilizarea celor mai diverse mijloace si metode, dintre care se mentioneaza: suprafetele extinse de schimb de caldura, promotorii naturali sau artificiali de turbulenta, vibratiile, aditivi, campurile electrostatice etc.Unele dintre acestea se afla in faza experimentala, in schimb altele sunt deja in faza industriala cu numar important de ani de experienta.

.Realizarea de aparate compacte de schimb de caldura prin adoptarea unor solutii constructive complet diferite de tipul convectional al aparatului tubular(cu tevi si manta).in acest sens, se mentioneaza schimbatoarele cu placi, spirale si lamerale, pentru care se vor da in continuare caracteristicile constructive si functionale cele mai importante:

a)Schimbatoarele de caldura cu placi (fig 1.6) sunt alcatuite din placi individuale, formand prin juxtapunere un set si asamblate intr-un cadru metalic cu bare de sustinere si ghidaj si cu suruburi de strangere.Fiecare pereche de placi invecinate formeaza un canal de curgere, astfel incat in doua canale adiacente sensul de curgere al agentilor termici este intodeauna opus( aparat in contracurent).Placile sunt executate din foi metalice subtiri, prevazute cu ondulatii in scopul maririi rigiditatii suprafetei de schimb de caldura si turbulentei fluidelor.Etansarea intre placi impiedica amestecul egentilor termici si scurgerea acestora spre exterior si se realizeaza prin oarnituri executate din materiale compatibile cu purtatorii respectivi de caldura.Un cadru de asamblare poate sa contina una sau mai multe unitati functionand impreuna sau separat, cu placi intermediare de legatura. Aparatele se adapteaza usor la eventuale modificari ale suprafetei de incalzire(extindere sau reducere) prin adaugarea sau scoaterea de placi.

Caracteristici tehnice:

Aparatele sunt dstinate transferului de caldura lichid-lichid. vapori-lichid, gaze cu vapori-lichid.Placile se executa din otel inoxidabil, din oteluri aliate speciale sau din alte materiale care se pot presa.Garniturile de etansare sunt din cauciuc, rasini intarite, butil,neopren.fibre de azbest.Parametrii maximi de functionare sunt 25 bar suprapresiune si 130°C, la utilizarea garniturilor de cauciuc sau 200°C Ia utilizarea celor din azbest.Suprafata de incalzire maxima pentru o unitate este de 800 [m²].

Aparatul apa-apa realizeaza un coeficient global de schimb de caldura de 3500÷5500 [W/m² °C] si cate un debit maxim de 1800 [m³/h]

 

a) b)

c)

Fig. 1.5 Schimbatoare de caldura cu placi

a)principiu de functionare;b)schema de curgere la un aparat 4x2-2x4 cu patru canale in paralel, fiecare cu doua treceri pentru fluidul cald si doua canale in paralel fiecare cu patru treceri pentru fluidul rece;c)schema constructiva: l-placi ondulate, 2-placa de capat fixa, 3-placa de capat mobila,4-placa intermediara,5-suport,6-bara de ghidaj si sustinere,7-suruburi de strangere

b)Schimbaioare de caldura spirale(fig. 1.7) sunt alcatuite din doua fasii metalice infasurate astfel incat formeaza canale spirale paralele, cate unul pentru flecare fluid schimbator de caldura.Canalele au marginile sudate alternativ pentru a evita amestecul agentilor tremici.Aparatul este prevazut cu racorduri la exteriorul spiralelor si in centrul acestora, montate intr-o carcasa cilindrica.

In functie de distributia curgerii si a racordurilor se deosebesc trei tipuri de schimbatoare spirale.Tipul 1 (fig. 1.7b) prevazut cu capace plate care inchid la partea superioara si inferioara canalele spirale, realizeaza o curgere in contracurent, fiind destinat transferului calduriiintre fluide fara schimbarea starii de agregare(lichid-lichid,gaz-lichid.gaz-gaz).Tipul 2(fig.l.7c) este destinat curgerii incrucisate: printr-un canal curgerea este spirala, ambele margini fiind sudate, iar prin altul axiala, la partea superioara si inferioara a spiralei fiind prevazute camere colectoare.

Acest tip este folosit drept condensator de suprafata in instalatiile de vaporizare.Tipul 3(fig.l.7d) este asemanatoare tipului 1, dar prevazut cu o camera superioara de distributie de constructie speciala. Aparatul este destinat condensarii vaporilor cu continut de gaze

necondensabile si subracirii condensatului.Subracirea se realizeaza in cadrul a doua-trei spire de la periferie.inchise la partea superioara in care curgerea este in contracurent. Condensatul si gazele din vapori sunt separate prin evacuarea lor prin doua racorduri diferite.

 

a) b) c) d)

Fig.1.7Schimbatoare de caldura spirale   a)principiul de functionare;b)tipul l;c)tipul 2;d)tipul 3

Caracteristici tehnice

Aparatele pot fi folosite pentru urmatoarele medii: lichid-lichid, gaz cu vapori-lichid. gaz-gaz, cu parametrii maximi 18bar, 400°C. Suprafata maxima de incaizire este de 300[m²].Coeficientul global de schimb de caldura la schimbatorul apa-apa este de 1800÷2500 [W/m²C] .Debitul maxim este la tipul l(curgere contracurent) de 400 [m³/h]  la apa si 4000[m³/h] la gaze, iar tipul 2(curgere axiala) de 8000[m³/h] la apa si de 200000 [m³] la gaze.

c)Schimbatoare de caldura lamelare (fig. 1.8) au suprafata de incalzire executata din benzi profilate din otel, sudate in perechi si asamblate intr-un fascicul continut intr-o manta cilindrica.Un agent termic curge prin canalele plate ale lamelelor, iar celalalt agent prin spatiile dintre lamele; curgerea este in contracurent, aparatul fiind o varianta a schimbatorului de caldura cu tevi si manta, avand curgere longitudinala pentru ambele fluide.Extremitati le fasciculului de lamele sunt sudate cu piese de legatura, astfel incat creeaza spatii etanse de curgere pentru cele doua medii.

Diferentele de dilatare termica intre fasciculul de lamele si manta sunt preluate de presetupa sau in cazuri speciale de un compensator lenticular.

Lamelele nu prezinta o tendinta de formare a depunerilor datorita turbulentei ridicate, curgerii uniforme distribuite si suprafetele netede.Spatiul din interiorul lamelelor poate fi curatat chimic, iar dintre lame chimic sau manual.

Fluidele de lucru pot fi: lichid-lichid, gaz sau vapori-lichid, gaz cu vapori-lichid, gaz-gaz.Parametrii maximi sunt 35[bar], 500°C.Materialele utilizate sunt otelul inoxidabil pentru lamele, otelul carbon sau inoxidabil pentru manta, azbestul sau teflonul pentru garnituri.Suprafata maxima de incalzire este de 800 [m²] cu un coeficient global de schimb de caldura apa-apa de 2000÷3000|W/m³ °C] .Debitul maxim prin lamele este de 2000 [m³/h] la apa de 20000 [m³/h] la gaze, iar prin manta de 400 [m³/h] la apa si de 50000 [m³/h] la gaze.

Fig. 1.8 Schimbatoare de caldura lamelare   l-lamela; 2-fascicuI de lamele; 3-manta

Directii de dezvoltare in tehnica schimbatoarelor de caldura:

In scopul ridicarii performantelor echipamentelor moderne de transfer de caldura, se actioneaza astazi in urmatoarele directii:

reducerea dimensiunilor de gabarit ale aparatelor, respectiv marirea suprafetei de

schimb de caldura pe unitatea de volum;

. cresterea gradului de flexibitate in proiectarea suprafetei de incalzire si in distributia

curgerii;

. intensificarea turbulentei si obtinerea in consecinta a unor valori mai ridicate

pentru coeficientul de convectie si mai scazute pentru depuneri, ambele efecte

actionand in sensul reducerii suprafetei de schimb de caldura necesare;

. micsorarea pierderilor de presiune;

crearea unor posibilitati de extindere sau a unor game modulate de aparate, care sa

satisfaca conditiile variate de proiectare sau modificarile de exploatare;

in realizarea acestor conditii, trebuie sa se tina seama de urmatoarele aspecte:

a)Materiale de construtie:

Schimbatoarele conventionale cu tevi si manta pot fi executate practic din orice material care se poate suda, cu indeplinirea conditiilor de coroziune.Aceste aparate necesita o cantitate mai mare de materiale, in schimb au un timp de fabricatie mai scurt, conducand in general prin utilizarea materialelor ieftine(otel carbon) la preturi mai scazute.

Aparatele compacte se realizeaza din materiale care se pot presa (la aparatele cu placi) sau suda (la aparatele spirale si lamelare).in general, tehnologia acestor aparate este mai costisitoare decat la aparatele tubulare, rezultand in investitii capitale mai ridicate.

Un aparat compact de schimb de caldura intensificat necesita o suprafata de transfer de caidura atat de redusa incat, executate din otel inoxidabil poate avea un cost egal sau chiar mai mic decat un aparat conventional cu tevi si manta din otel carbon.

b)Domeniui de presiune si temperatura:

Aparatele tubulare pot fi proiectate practic pentru orice combinatie de presiune si temperatura intalnita in tehnica.Unitatile mai mari, care functioneaza la parametrii ridicati, prezinta pe langa constructia masiva unele probleme caracteristice: solicitari la oboseala, produse de modificarile bruste ale sectiunii transversale de curgere si de variatiile presiunii si temperaturii, dilatari termice care induc concentrari puternice de efort, vibratii, putin cunoscute, in special la viteze mari in manta.

Spre deosebire de aparatele tubulare, schimbatoarele de caldura compacte sunt construite din materiale cu pereti mai subtiri, iar variatiile bruste de sectiune transversala de curgere sunt practic absente.Folosirea materialelor cu pereti subtiri limiteaza domeniul de presiune si de temperatura in functionarea acestor aparate, in schimb elimina problemele de vibratii, oboseala si solicitari termice, care foarte adesea reprezinta surse de defectare mecanica a schimbatoarelor tubulare.in figura de mai jos se reprezinta graficul presiune-temperatura pentru domeniul de folosire al aparatelor compacte.

Fig. 1.9 Domeniul de utilizare presiune-temperatura la alegerea schimbatoarelor de caldura compacte: l-aparat lameiar; 2-aparat cu placi cu garnituri din cauciuc; 3-aparat cu placi cu garnituri din snur de fibra de azbest; 4-aparat spiral

c)Capacitaiea de trecere (debitul volumetric maxim):

Tabelul 1.4 cuprinde valorile comparative ale debitului volumetric maxim si suprafetei de incalzire pentru diferite tipuri de aparate de transfer de caldura.

Tipul schimbatorului de caldura		Debit volumetric, [m3/h]		Suprafata de incalzire a unui aparat, [m2]
		Lichid	Gaz
Cu placi Spiral Curgere spirala pe ambele parti Curgere transversala pe o parte
Lamelar Tubular(cu tevi si manta)		Practic nelimitat	Practic nelimitat	Practic nelimitat
	Tabelul 1.4 Valorile aproximative ale debitului volumetric maxim si suprafetei de incalzire pentru diferite tipuri de schimbatoare de caldura				Majoritatea aparatelor compacte sunt adecvate curgerii in contracurent, folosind eficient diferenta de temperatura disponibila.Schimbatoarele cu placi si mai ales lamelare pot functiona in contracurent la debite volumetrice mari. Ele nu sunt insa justificate economic pentru regimuri termice reduse, respectiv pentru rapoarte pentru lichide putin vascoase sau rapoarte pentru gaze(,) rezrezinta temperatura de intrare, respectiv iesire a agentului termic, iar Δtmed -diferenta medie de temperatura in aparat.Schimbatoarele spirale cu curgere axiala a unui fluid sunt recomandabile pentru debite volumetrice mari, cum este cazul condensarii vaporilor cu presiune scazuta. La condensarea vaporilor sub vid avansat(cazul condensatoarelor turbinelor cu abur), datorita debitelor volumetrice extrem de mari, este economica folosirea unor schimbatoare obisnuite cu tevi si manta, in special la folosirea mantalelor din otel-carbon. d)Formarea depunerilor: Este cel mai mult influentata de regimul de curgere(viteza,distributia fluidului, vari ati a sectiunii transversala,forma canalului si starea peretilor).Schimbatoarele de caldura compacte realizeaza o functionare cu depuneri mai buna decat aparatele cu tevi si manta echivalente, conducand la factori de murdarire mai redusi.Aceasta se datoreaza urmatoarelor elemente: aparatele compacte au sectiuni transversale de curgere uniforme, viteze practic constante si conditii de turbulenta ridicata; la schimbatoarele cu tevi si manta sunt mai greu de evitat regiunile cu stagnari de fluid sau cu viteza redusa, ca si distributia neuniforma a fluidului intre canale paralele. In general, la existenta unor conditii severe de murdarire, in loc sa se prevada o suprafata de incalzire suplimentaramare pentru compensarea efectului depunerilor, este de preferat sa se aleaga un aparat cu cea mai buna distributie a curgerii si cu o viteza maxima posibila corelata cu pierderile admisibile de pres iu ne. Rezerva mare de suprafata poate conduce la viteze reduse ale fluidelor, fiind consumata mai repede de ratele de depunere sporite. e)Alegerea si intretinerea aparatelor: Tabelul 1.5 contine indicatii generale de alegere a tipului de schimbator de caldura pentru aplicatiile tehnice frecvente, iar tabelul 1.6 modul de satisfacere de catre aparatele de transfer de caldura a cerintelor de control,curatare,extindere si reparatie. Observatii: SCT-schimbator de caldura tubular; SCP-schimbator de caldura cu placi; SCS-schimbator de caldura spiral; SCL-schimbator de caldura lamelar;   Tabelul 1.5       Utilizare Recomandari Fluid putin vascos SCP necesita suprafata minima.Pentru lichide corozive,se foloseste un SCP cu garnituri din aztbest sau cu SCS ori SCL.Pentru debite volumetrice mari, la presiuni si temperaturi ridicate se utilizeaza un SCT Lichid putin vascos-abur La utilizari tara coroziune se adopta un SCT din otel carbon.Cand sunt necesare oteluri inoxidabile sau puternic aliate aliate se foloseste un SCS sau SCL; idem la debite volumetrice mari ale aburul ui. Pentru abur cu presiuni medii se recomanda SCP. Fluide mediu vascoase Se foloseste SCP.Cand garniturile ridica probleme sau la continut mare de particule solide sw utilizeaza un SCS. Fluide foarte vascoase SCP ofera avantajul unei distributii bune a curgerii si necesita suprafata de incalzire minima.La vascozitati foarte mari se prefera SCS. Lichide care formeaza depuneri Datorita distributiei bune a curgerii se prefera SCS sau SCP; Ia ultimul este avantajos accesul usor pentru curatire. Suspensii. pasta SCS are cele mai bune caracter isti ci. in anumite cazuri poate fi folosit de asemenea SCP. Lichide sensibile la caldura SCP indeplineste cele mai bune conditii.Uneori poate fi preferat SCS. Racire cu aer Se utilizeaza aparate cu suprafete extinse. Gaz sau aer sub presiune Cu anumite limitari se poate folosi un SCP; in caz contrar se adopta un SCT(cu suprafata extinsa pe partea de gaz), SCL sau SCS(tipul 2) Criogenie Aparate cu suprafata de incalzire din placi nervurate suprapuse sau din aluminiu in forma de fagure. Condensarea vaporilor La absenta coroziunii se prefera un SCT din otel carbon.La folosirea otelurilor inoxidabile sau puternic aliate, solutia optima este data de SCS(tipul 2 sau 3) sau SCL.Pentru abur cu presiuni medii se poate alege si un SCP. Condensarea amestecurilor gaz-vapori Se foloseste SCS(tipul 3) conceput speciai pentru aceasta utilizare. Instalatii de distilare, vaporizare sau Pentru coloanele de distilare sunt adecvate aparate compacte.Ca fierbatoare se folosesc SCS,SCL sau SCP cu circulatie fortata.Pentru procese de incalzire sau racire, SCP este alegerea optima, ca solutie separare alternativa, un SCS. Racirea apei Pentru racirea apei in circuit inchis, se alege un SCP din otel inoxidabil sau racitor cu aer Utilizari cu presiune si temperatura ridicata Se folosesc tipuri speciale de SCT. Tabelul 1.6 Operatia Accesul Tipul schimbatorului de caldura Controlul depunerilor Pe o parte a b b b Pe ambele parti a b sau d c b sau d Controlul scurgerilor Pe o parte b a sau b a a Pe ambele parti b a sau b a a Controlul coroziunii Pe o parte a a sau c b b Pe ambele parti a b sau d d b sau d Curatire chimica Pe o parte a a b b Pe ambele parti a a b b sau c Curatire mecanica Pe o parte a b sau c b b Pe ambele parti a b sau d d b sau d Extindere a d d d Reparatie a c c b Observatii:  a-foarte bun; b-acceptabil; c-greu; d-imposibil. Cu datele din tabelul 1.6 se poate face o comparatie cantitativa a aparatelor de schimb de cai dura. Astfel, daca se considera pentru calificativul a= 4 puncte, pentru b=3 puncte, pentru c=2 puncte si pentru d=l punct, insumarea punctajelor obtiunute de fiecare tip de schimbator de caldura clasifica aparatele in urmatoarea ordine valorica, din punctul de vedere al efectuarii operatiilor de intretinere, extindere si reparatie: schimbator de caldura cu placi =46 puncte 2-3 schimbator de caldura spiral   =32.5 puncte 2-3 schimbator de caldura tubular =32.5 puncte schimbator de caldura lamelar =30 puncte Politica de confidentialitate .com Copyright © 2024 - Toate drepturile rezervate. Toate documentele au caracter informativ cu scop educational. Comentarii literare ALEXANDRU LAPUSNEANUL COMENTARIUL NUVELEI Amintiri din copilarie de Ion Creanga comentariu Baltagul - Mihail Sadoveanu - comentariu BASMUL POPULAR PRASLEA CEL VOINIC SI MERELE DE AUR - comentariu Personaje din literatura Baltagul – caracterizarea personajelor Caracterizare Alexandru Lapusneanul Caracterizarea lui Gavilescu Caracterizarea personajelor negative din basmul Tehnica si mecanica Cuplaje - definitii. notatii. exemple. repere istorice. Actionare macara Reprezentarea si cotarea filetelor Economie Criza financiara forteaza grupurile din industria siderurgica sa-si reduca productia si sa amane investitii Metode de evaluare bazate pe venituri (metode de evaluare financiare) Indicatori Macroeconomici Geografie Turismul pe terra Vulcanii Și mediul Padurile pe terra si industrializarea lemnului Termeni si conditii Contact Creeaza si tu