UNIVERSITATEA PETROL-GAZE PLOIEŞTIFacultatea: TEHNOLOGIA PETROLULUI ŞI PETROCHIMIECatedra: INGINERIE CHIMICÃ ŞI PETROCHIMICÃ

PROIECT DE SEMESTRU

PROCESE TRANSFER CÃLDURÃ

PLOIEŞTI 2010

TEMA PROIECTULUI

DIMENSIONAREA TEHNOLOGICÃ A UNUI SCHIMBÃTOR DE CÃLDURÃ TIP FASCICUL

TUBULAR ÎN MANTA CU CIRCULAŢIA PRODUSULUI PETROLIER PRIN TUBURI ŞI A APEI PRIN MANTA

CUPRINSUL

1. Date proiectare

2. Breviar cu rezultate

3. Introducere – parte teoreticǎ

Clasificare Schimbǎtoare de cǎldurǎ cu fascicul tubular în manta Exemple de schimbǎtoare de cǎldurǎ (desene )

4. Calculul unui schimbǎtor de cǎldurǎ cu tip fascicul tubular in manta cu circulaţia produsului petrolier prin tuburi dispuse în triunghi şi a apei prin manta

5. Concluzii

Bibliografie

1. Date de proiectare

Datele de proiectare ale unui schimbǎtor de cǎldurǎ cu tip fascicul tubular in manta cu circulaţia produsului petrolier prin tuburi şi a apei prin manta sunt urmǎtoarele:

-Lungimea tubului, L = 6m ;-Aşezarea în triunghi ;-Diametrul interior al mantalei, Di = 0,6m;-Numǎrul de pasuri, Np = 6;-Diametrul exterior al mantalei, De = 0,616 m;-Distanţa între şicane, x = 0,15 m;-Diametrul exterior al tuburilor,de = 0,025 m;-Diametrul interior al tuburilor, di = 0,021 m;-Numǎr de tuburi, nt = 242; nt (STAS ) = 236;-Lungime capac, L = 0,3 m ;-Lungime schimbǎtor, L total= 6,6m

2. Breviar cu rezultate

Notaţie / unitate de mǎsurǎ Valoare

Notaţie / unitate de mǎsurǎ Valoaremr ,kg/s 15.88

Q, J/s (W) 993,294 x 103

Ked , W/m2 °C 300

Ae, m2 113,78

nt 241,57 ≈ 242nt (STAS) 236

Ae (recalculat), m2 111,156Ked (verificat), W / m2 °C 307,08

wc ,m / s 0,62

Np 6

Re 17360,16Nu 139,51

αi ,W / m2 °C 872,27Deh 0,02wr ,m / s 0,68

Re 19554,38

Pr 4,57

Nu 132,73

αe , W / m2 °C 4179,34

Ked ,W / m2 °C 327,01

Ae , m2 104,38

S ,% 6,88

P energie, lei/kW 0,1736

Cenergie ,€/an 505 674

ρotel ,kg / m3 7850

Vmanta , m3 0,09Mmanta, kg 706,5

Vtuburi , m3 0,2029Mtuburi , kg 1592,76Vsicane , m3 0,0463Msicane , kg 363,46Vplaci tub , m3 0,0283

Mplaci tubulare, kg 222,16

Vcapace , m3 0,02788Mcapace , kg 218,88

Msc , kg 3103,76

Potel , €/ tonă 300

Camortizare , €/an 93,11Cir , €/an 0,9311CT , €/an 505768

ms , kg / m2 27,28Vsc, m3 0,3954

Vs , m3 / m2 0,00347

Lcapac , m 0,3Ltotal , m 6,6

3. IntroducereSchimbǎtoarele de cǎldurǎ sunt aparate (utilaje) în care se realizeazǎ procese

(operaţii) de transfer de cǎldurǎ între douǎ fluide.

3.1 Clasificǎre şi date generaleClasificarea schimbǎtoarelor de cǎldurǎ se poate face din mai multe puncte de

vedere, cele mai importante fiind urmǎtoarele;- clasificarea dupǎ procesul principal de transfer de cǎldurǎ;- clasificarea dupǎ modul de contactare a fluidelor;- clasificarea dupǎ tipul constructiv al aparatului.Dupǎ procesul principal de transfer de cǎldurǎ,se deosebesc numeroase clase de

aparate,ca de exemplu: preîncǎlzitoare, rǎcitoare, condensatoare ,rǎcitoare-condensatoare,refierbǎtoare,vaporizatoare,cristalizatoare,recuperatoare,regeneratoare (schimbǎtoare de cǎldurǎ propriu-zise),etc.

Într-o instalaţie DA de exemplu, schimbǎtorul de cǎldurǎ motorinǎ-titei nu se numeşte nici preîncǎlzitor de ţiţei nici rǎcitor de motorinǎ, ci schimbǎtor de cǎldurǎ propriu-zis sau regenerator, pentru cǎ ambele procese de transfer de cǎldurǎ sunt importante.Prin preîncǎlzirea ţiţeiului se urmǎreşte reducerea consumului de combustibil la cuptor, iar prin rǎcirea motorinei se urmǎreşte reducerea ulterioarǎ a consumului de agent de rǎcire,pentru realizarea temperaturii de depozitare.

Dupǎ modul de contactare a fluidelor,se deosebesc trei clase de aparate:schimbǎtoare de cǎldurǎ de suprafaţǎ,schimbǎtoare de cǎldurǎ prin contact direct (de amestec) şi schimbǎtoare de cǎldurǎ cu fluid intermediar staţionar.

Schimbǎtoarele de cǎldurǎ de suprafaţǎ se caracterizeazǎ prin faptul cǎ cele douǎ fluide care schimbǎ cǎldurǎ între ele sunt separate prin pereţi metalici, în majoritatea cazurilor cilindrici (tuburi).Aceste schimbǎtoare sunt cele mai frecvent utilizate.

Schimbǎtoarele de cǎldurǎ prin contact direct nu conţin pereţi despǎrţitori între fluide, acestea venind în contact nemijlocit, transferul de cǎldurǎ fiind însoţit şi de un transfer de masǎ.

Schimbǎtoarele de cǎldurǎ cu fluid intermediar staţionar sunt de concepţie mai recentǎ, se utilizeazǎ în cazuri practice caracteristice şi prezintǎ unele avantaje specifice.

Ele se caracterizeazǎ prin faptul cǎ transferul de cǎldurǎ de la fluidul cald cǎtre fluidul rece, care sunt în curgere continuǎ prin schimbǎtor, este mijlocit de un fluid intermediar staţionat în aparat.

Dupǎ tipul constructiv al aparatului existǎ numeroase clase de schimbǎtoare, cele mai uzuale fiind:

Schimbǎtoarele “tub în tub” care constau în douǎ tuburi concentrice, un fluid circulând prin tubul interior,iar celǎlalt fluid prin spaţiul inelar (intertubular). Aceste schimbǎtoare prezintǎ avantajul de a lucra în contracurent dar sunt voluminoase şi grele, în raport cu aria de transfer.

Rǎcitoarele şi condensatoarele cu “serpentinǎ scufundatǎ” constau dintr-o cadǎ prevǎzutǎ cu deversor, prin care circulǎ apa de rǎcire şi în care se scufundǎ serpentine prin care curge fluidul cald.

Rǎcitoarele şi condensatoarele “cu serpentinǎ stropitǎ cu apǎ” conţin câteva serpentine plasate vertical, peste care curge apa de rǎcire dispersatǎ în picǎturi.

Schimbǎtoarele de cǎldurǎ “cu plǎci” lucreazǎ cu presiuni relativ mici pentru ambele fluide. Ele sunt plǎci profilate din metal, suprapuse şi presate pentru etanşare.La extremitǎţile plǎcilor sunt delimitate canalele de legǎturǎ pentru fluide, acestea circulând prin spaţiile libere dintre plǎci.

Rǎcitoarele şi condensatoarele “cu aer” sunt realizate dintr-un fascicul de tuburi prevǎzute la exterior cu aripioare transversale circulare, peste care circulă aerul atmosferic împins de ventilatoare.

Răcitoarele şi condensatoarele “prin contact direct” constau în coloane de contactare în contracurent, cu sau fără umplutură, pentru două fluide practic nemiscibile (gaz-lichid sau lichid-lichid).

În afara acestor tipuri de schimbătoare de căldură,mai există si alte tipuri, dar fără importanţă pentru industria petrochimică.

3.2 Schimbǎtoare de cǎldurǎ cu fascicul tubular în manta

Cele mai utilizate sunt schimbătoarele de căldură “cu fascicul tubular în manta”. Ele prezintă o arie specifică de transfer de căldură relativ mare şi consum specific de metal relativ redus. Un astfel de schimbător este prezentat în figura 1.

El se compune dintr-o manta cilindrică prevăzută la exterior cu flanşe, două capace prevăzute cu flanşe spre interior, două plăci tubulare care se fixează (cu garnituri de etanşare) între flanşele mantalei şi capacelor şi fasciculul de tuburi, mandrinate în plăcile tubulare.Acest schimbător este rigid (plăci tubulare fixe în raport cu mantaua), pentru că nu permite o dilatare sau contractare independentă a tuburilor (este solicitată mandrinarea). Racordurile (ştuţurile) pentru fluidul care circulă prin tuburi se află la capace şi acest fluid trece în paralel prin toate tuburile, într-un singur sens. Mantaua conţine tot două racorduri, fluidul corespunzător circulând longitudinal prin spaţiul intertubular (secţiune de curgere constantă), în contracurent cu fluidul din tuburi. În partea superioară a schimbătorului, atât la manta cât şi la capace, există dopuri cu filet pentru evacuarea iniţială a aerului. La o condensare de vapori, vaporii intră în partea superioară, iar condensul este evacuate la partea inferioară (la vaporizare circulaţia se face de jos în sus). Pentru fluidele fără transformare de fază, intrarea poate fi jos sau sus, iar ieşirea, fie pe partea opusă, fie chiar pe aceeaşi parte.

Alegerea trecerii fluidelor prin tuburi sau manta se face după următoarele criterii, care nu pot fi întotdeauna respectate:

-fluidul cu temperatură mai mare se trece prin tuburi, pentru a se reduce pierderea de căldură către mediul ambient;

-fluidul cu debit volumic mai mare se trece prin manta;-fluidul cu presiune mai mare se trece prin tuburi, acestea rezistând la presiune mai

uşor decât mantaua;-fluidul pentru care se doreşte o cădere de presiune mai mică se trece prin manta;-fluidul care depune mai multă murdărie pe suprafaţa tuburilor se trece prin tuburi,

pentru că acestea se curăţă mai uşor în interior, prin demontarea capacelor;-fluidul mai coroziv se trece prin tuburi, pentru că acestea pot fi înlocuite sau izolate

mai uşor.Creşterea coeficientului de convecţie în interiorul tuburilor se poate obţine prin

creşterea vitezei fluidului (acest avantaj este însoţit de dezavantajul creşterii căderii de

presiune). Pentru creşterea vitezei în tuburi, se introduc în camerele de distribuţie (sub capace) şicane, astfel încât se obţin două sau mai multe pasuri (treceri) prin tuburi.

Schimbătoarele din figurile 2 şi 3 funcţionează cu două pasuri în tuburi (iniţial curgere de la stânga spre dreapta şi apoi de la dreapta spre stânga; în raport cu cazul unui singur pas, secţiunea de curgere s-a redus la jumatate, iar viteza s-a dublat), iar cel din figura 4 cu patru pasuri în tuburi.

Pentru majorarea vitezei fluidului din manta, pot fi utilizate şicane longitudinale. În figura 4 prin prezenţa unei astfel de şicane, se realizează două pasuri în manta. Şe constată la acest schimbător, cu două pasuri în manta şi patru pasuri în tuburi, că global fluidele circulă în sens invers (unul de jos în sus şi celalat de sus în jos).

În majoritatea cazurilor practice, în manta se utilizează şicane transversale segment de cerc ( fig.2 şi 3), care duc în general la o curgere transversală pe tuburi (secţiunea de curgere este variabilă; apar turbulenţe ce îmbunătăţesc transferul de căldură; prin fixarea distanţei dintre şicane, se realizează viteza medie dorită pentru fluidul din manta). În fig. 5 sunt schiţate şi alte tipuri de şicane transversale, foarte rar utilizate (şicane inel disc” şi şicane “benzi laterale”-“bandă centrală”).

Şicanele segment de cerc lasă libere ferestre orizontale, alternative sus şi jos. La condensatoare şi la schimbătoarele cu două pasuri în manta se utilizează ferestre verticale.

Şicanele transversale sunt solidarizate cu o placă tubulară, prin intermediul unor tije şi distanţiere (fig. 2). La intrarea fluidului în manta este prevăzută o placă deflectoare (fig. 2 ), care reduce şocurile asupra tuburilor.

În unele cazuri se utilizează în manta o curgere scindată (fig.6,a, în special la vaporizatoare) sau o curgere divizată (fig. 6,b ); printre două şicane alăturate circulă jumătate din debitul de fluid).

Pentru a nu se solicita mandrinarea şi pentru a se evita apariţia neetanşeităţilor, trebuie să se asigure o dilatare (contractare) liberă a tuburilor în raport cu mantaua schimbătorului. Această problemă este rezolvată în special prin utilizarea schimbătoarelor cu cap flotant (mobil) sau a schimbătoarelor cu tuburi U.

În fig. 2 este prezentat un schimbător de căldură cu cap flotant. Placa tubulară mică are un diametru mai redus decât diametrul interior al mantalei şi, după demontarea capacului mic (acesta este fixat prin intermediul unui inel), fasciculul poate fi extras cu ambele plăci tubulare.

În unele cazuri, pentru o alunecare mai uşoară, şicanele inferioare se sprijină pe nişte role. Obişnuit, schimbătoarele cu cap mobil au un număr par de pasuri în tuburi. Dacă este necesar să se lucreze cu un singur pas în tuburi, capacul mic este prevăzut cu un record axial, care iese prin capacul mare, printr-o presetupă.

În fig. 3 este prezentat un schimbător de căldură cu tuburi U. Aceste schimbătoare pot avea în tuburi numai un număr par de pasuri.

Mai puţin utilizate, pentru preluarea dilatărilor inegale, sunt schimbătoarele cu compensator de dilataţie la manta, cele cu o placă tubulară flotantă, care asigură etanşarea pe un sistem de garnituri şi cele cu ţevi duble concentrice (fluidul circulă într-un sens prin tuburile de diametru mic, care nu constituie o suprafaţă de transfer de căldură, şi în sens invers prin spaţiul intertubular, tuburile de diametru mare fiind închise la capătul liber; camerele de distribuţie se află de aceeaşi parte).

4. Calculul unui schimbǎtor de cǎldurǎ cu tip fascicul tubular in manta cu circulaţia produsului petrolier prin tuburi dispuse în triunghi şi a apei prin manta

= 0,9952 x + 0,00806 = 0,9952 x 0,850 + 0,00806 = 0,85398

c = x (0,0538 x k+0,3544)cpc = x

0,0538x11+0,3544)cpc = ( 1,8265+0,004177x80)x0,9462 = 2,0444 kJ/kgºC

Qr = mr x cpr (tr2-tr1)

} mr =

Qc = mc x cpc (tc1-tc2)

mc = 25 t/h = kg/s = 6,94 kg/s

cpr = 4,17 kJ/kgºC = 4170 J/kgºC

mr =

mr = 15,88 kg/sQr = 15,88 kg/s x 4,17 kJ/kgºC (45 – 30)o CQr = 993,294 kJ/sQ = 993,294 x 103 J/s (W)Δtc = tc1 – tc2 = 115 – 45 = 70°CΔtr = tr2 – tr1 = 45 – 30 = 15°CΔtM = tc1 – tr2 = 115 – 45 = 70°CΔtm = tc2 – tr1 = 45 – 30 = 15°CM = = = = = 71,59°C

Δtmed = = = =

Δtmed = 29,1°C

Pp Ked = 300 W/m2 °C

Q = Ae x Ked x Δtm → Ae =

Ae = = 113,78 m2

nt =

Pp L=6m → nt = = 241,57 ≈ 242

nt (STAS) = 236 Di = 0,6 m (aşezare în triunghi )Ae (recalculat) = 236 x 3,14 x 0,025m x 6m = 111,156 m2

Ked (verificat) = = 307,08 W / m2 °C → pp. a fost corectă

= 807,874 kg / m3

=

Np = 6

0,1313 W / m °C

kg / ms

Re =

Pr =

Nu = 0,027 x x 0,14

Nu = 0,027x (17360,16)0,8 x (9,43)0,33 = 0,027 x 2464,01 x 2,097Nu = 139,51

Nu = W / m2 °C

Ac = m2

Pu= m

Deh=4 x

Se admite Di-Df = 40 mm = 0,04 m

Di = 0,6 m Df = 0,6 x 0,04 = 0,56 mSe admite x = 0,15 m

S = x

S = 0,15 (0,04 + 16,72 x 0,007) = 0,0236 m2

°C

t = 30°C → ρ = 995,7 kg/m3

t = 40°C → ρ = 992,2 kg/m3

ρ = 995,7 + kg / m3 (la t = 37,5 °C)

m / s

t = 30°C → 0,805 = ע x 10-6 m2 / st = 40°C → 0,659 = ע x 10-6 m2 / s

0,805 = ע x 10-6 + (37,5-30) = 0,6955 x 10-6 m2 / s

Re=

t = 30°C → λ = 0,617 W / m °Ct = 40°C → λ = 0,634 W / m °C

λ = 0,617 + 0,62975 W / m °C

Pr =

Avem Re = 19554,38 > 5000 → c = 0,351; n = 0,55

Nu = c x (Re)n x (Pr)113 x

Nu = 0,351 x (19554,38)0,55 x (4,57)0,33 x 1 = 0,351 x 229,18 x 1,65 = 132,73

Nu =

c = dehג

4179,34 W / m2 °C

λ0 = 45 W / m2 °CRdi = 0,00053Rde = 0,00088

Ked =

Ked =

Ked = = 327,01 W

/ m2 °C(valoarea admisă este de 307,08 W / m2 °C )

Ae =

(valoarea admisă este 111,56 m2 )

S = % ( acceptabilă )

Calcul economic

* pentru fluidul din tuburi: Re = 103…….105 f =

În tuburi circulă fracţiunea petrolieră:

f =

N2 =

ηTp2 = 0,85

mcvol =

Δpp2 = 931,64 x 15,2 = 14160,93 N / m2

N2 = kW

* pentru fluidul din manta: Re = 300……106 f =

Prin manta circulă apa:

f = = 0,252

mrvol = 0,0159 m3 / s

N1 = = 1298,76 kW

NT = N1 + N2 = 1298,76 + 143,11 = 1441,87 kWE = NT x kWh/anP = 0,1736 leiCenergie = E x P = 11534960 x 0,1736 = 2002469,056 lei / an = 505 674 €/an

7850 kg / m3

De = Di + 2 x S = 0,6 + 2 x 0,008 = 0,616 m

Vmanta =

Vmanta = Mmanta = ρotel x Vmanta = 7850 kg/m3 x 0,09 m3 = 706,5 kg

Vtuburi = nt

Vtuburi = 1449,42 (0,00049-0,00035) = 0,2029 m3

Mtuburi = ρotel x Vtuburi = 7850 kg/m3 x 0,2029 m3 = 1592,76 kg

nsicane =

Asicanei = 0,7 x m2

Vsicane = nsicane x Asicanei x Ssicane = 39 x 0,198 x 0,006 = 0,0463 m3

Msicane = ρotel x Vsicane = 7850 kg/m3 x 0,0463 m3 = 363,46 kg

Vplaci tub. = = 0,0283 m3

Mplaci tubulare = ρotel x Vplaci tub. = 7850 kg/m3 x 0,0283 m3 = 222,16 kg

Vcapace =

Vcapace = 12,56 x (0,02922 – 0,027) = 0,02788 m3

Mcapace = ρotel x Vcapace = 7850 kg/m3 x 0,02788 m3 = 218,88 kg

Msc = Mmanta + Mtuburi + Msicane + Mcapace + Mplaci tubulare Msc = 706,5 + 1592,76 + 363,46 + 222,16 + 218,88 = 3103,76 kg = 3,10376 toneIt = Msc x Potel

Potel = 300 €/ tonăIt = 3,10376 tone x 300 €/tonă = 931,128 €

Camortizare = = 93,11 €/ an

Cir = €/an

CT = Cenergie + Camortizare + Cîntreţinere

CT = 505674 + 93,11 + 0,9311 ≈ 505768 €/an

ms = kg / m2

Vsc = Vmanta + Vtuburi + Vsicane + Vcapace + Vplaci tubulare

Vsc = 0,09 + 0,2029 + 0,0463 + 0,02788 + 0,0283 = 0,3954 m3

Vs = = 0,00347 m3 / m2

Lcapac = 0,5 x Di = 0,5 x 0,6 = 0,3 m

Ltotal = LT + 2 x Lcapac = 6 + 2 x 0,3 = 6 + 0,6 = 6,6 m

5. Concluzii

Schimbǎtoarele de cǎldurǎ cu fascicul tubular în manta sunt cele mai utilizate tipuri de schimbǎtoare datoritǎ faptului cǎ au o arie specificǎ de transfer de cǎldurǎ relativ mare în raport cu consumul specific de metal relativ redus.

Tuburile utilizate frecvent la schimbǎtoare au diametrul exterior de 25 mm şi pot fi aşezate în triunghi echilateral sau în pǎtrat.

Pentru cǎ tipizarea este avantajoasǎ în construcţia de utilaj tehnologic, se folosesc anumite diametre de manta şi anumite valori ale numarului de tuburi în fascicul.

Existǎ valori standardizate pentru schimbǎtoarele de cǎldurǎ, atât pentru diametrul mantalei cât şi pentru numǎrul corespunzǎtor de tuburi în fascicul, în funcţie de modul de aşezare, de diametrul şi pasul tuburilor şi de numǎrul de treceri prin tuburi (2,4,6).

În afara acestor tipuri constructive mai existǎ şi alte tipuri,care sunt fǎrǎ importanţǎ, pentru cǎ sunt foarte puţin utilizate.

Bibliografie

- Dumitru Dobrinescu: Procese de transfer termic şi utilaje specifice, Editura Didacticǎ şi Pedagogicǎ, Bucureşti- 1983 ;

-V. Somoghi: Procese transfer cǎldurǎ, Editura Universal, Ploieşti-1998;

- V. Somoghi, Cornel Pǎtraşcu, D. Dobrinescu. V. Ioan: Proprietǎţi fizice utilizate în calcule termice şi fluidometrice, Editura UPG, Ploieşti-1997.