UNIVERSITATEA DE STIINTE AGRICOLE SI MEDICINA VETERINARA A
BANATULUI
PROIECT LA UTILAJE IN INDUSTRIA ALIMENTAR
SCHIMBTORUL DE CLDUR EAV N EAV
Student:Hantig Alina Gr432b,CEPA Profesor Dr.Ing.TEODOR IOAN
TRASCA
1
Cuprins
1.Schimbatoare de caldura 2.ncalzirea- racirea n industria
alimentara 3.Schimbatorul de caldura teava n teava 3.1 Descrierea
utilajului 3.2 Instalatie din industria vinului 4.Calcule 4.1
Bilant de materiale 4.2 Bilant termic 5.Bibliografie
2
1. Schimbatoare de caldura
Schimbatoarele de caldura repr 232f523c ezinta aparate care au
drept scop transferul de caldura de la un fluid la altul n procesul
de ncalzire, fierbere, evaporare, condensare, racire sau n alte
procese termice,n care sunt prezente doua sau mai multe fluide cu
temperaturi diferite. Instalatiile tehnologice, aparatele de schimb
de caldura ocupa o pozitie particulara, ele putnd functiona ca
organe principale, cnd constituie parti determinate ale unor
procese tehnologice sau ale unor procese exclusiv termice, fie ca
organe secundare, introduse n instalatii din motive de economie de
caldura sau de substanta. Alaturi de sistemul de conducte si de
pompe, schimbul de caldura necesita echipamente termomecanice cele
mai numeroase din industrie. Realizarea instalatiilor tehnologice
moderne nu poate fi conceputa fara perfectionarea continua a
proceselor si aparatelor de schimb de caldura. Domeniile de
utilizare de schimb de caldura sunt foarte variate, destinatiile
principale ale acestor aparate fiind urmatoarele: schimb complex de
caldura dintre gazele de ardere si apa-aburul din generatoarele de
abur; transferul de caldura n cadrul proceselor de ncalzire,
racire,fierbere, condensare sau alte procese speciale, practic din
toate ramurile industriale; prepararea apei calde si fierbinti n
sistemele de termoficare; evacuarea n atmosfera prin turnuri de
racire a caldurii rezidule rezultate din procesele industriale;
procesele complexe de recuperare a caldurii cu potential termic
redus pentru ncalzire si scopuri tehnologice.
-
3
2.ncalzirea- racirea n industria alimentaran cadrul proceselor
tehnologice din industria alimentara, transmiterea caldurii este
necesara pentru a modifica temperatura materiilor prime sau
auxiliare n vederea ncalzirii sau racirii. n decursul operatiei de
ncalzire sau racire, temperatura agentului termic poate fi
variabila daca acesta nu si schimba starea de agregare (gaze calde
care se racesc, apa rece care se ncalzeste) sau poate ramne
constanta daca si schimba starea de agregare (abur care
condenseaza, apa care fierbe). Agentii termici uzuali folositi n
industria alimentara sunt apa calda, aburul saturant, apa rece si
apa racita. Apa calda. Pna la temperatura de 80C, ncalzirea cu apa
calda se realizeaza la presiunea atmosferica. n intervalul de
temperatura (80...375)C se utilizeaza apa sub presiune, denumita
impropriu apa suprancalzita. Aburul saturant. Este cel mai uzual
purtator de caldura din cauza avantajelor pe care le prezinta:
caldura latenta masica de condensare mare pentru temperaturile
curente de ncalzire; valori mari ale coeficientului partial de
transfer de caldura; temperatura purtatorului de caldura se mentine
constanta; este neinflamabil si netoxic; cost suficient de redus
pentru a nu se impune n toate cazurile recuperarea si recircularea
condensatului.
Aceste avantaje sunt pentru ncalziri ce nu depasesc 150...200C.
Apa rece. Folosirea apei ca agent de racire se realizeaza n circuit
deschis pentru debite mici si n circuit nchis pentru debite de apa
de racire mari . Apa racita. Este un agent de rpcire secundar
utilizat pentru temperaturi de racire mai mari de 4C. Se utilizeaza
n special la schimbatoarele de caldura cu placi.
4
Uluiuri minerale. Sunt folosite ca agent termic pentru
temperaturi pna la 300C. Dezavantajele utilizarii uleiurilor:
coeficient de transfer termic mic si vscozitate mare. Operatiile de
ncalzire si racire sunt utilizate n industria alimentara pentru: -
a crea conditii pentru efectuerea unor transformari de catre
microorganisme (ex. fermentarea mustului); - a favoriza realizarea
unor operatii tehnologice din schema bloc de obtinere a produsului
respectiv (ex. difuzia zaharului din sfecla de zahar); - a trata
termic unele materiiprime si auxiliare din procesul respectiv (ex.
apa necesara difuziei n industria zaharului trebuie sa aiba 45C).
Schimbatoarele de caldura pot fi componente ale unor instalatii
complexe sau pot functiona independent.
3. Schimbatorul de caldura teava n teava 3.1 Descrierea
utilajului
5
Schimbatoarele de caldura teava n teava sunt incluse ntr-o grupa
separata, cu toate ca ele n realitate nu sunt dect schimbatoare de
caldura simple, tubulare, n care fasciculul de tevi se compune
dintr-o singura teava. Alegnd diametrul tevii exterioare, se poate
usor obtine la aceste schimbatoare de caldura o suprafata mica a
sectiunii transversale pentrul spatiul dintre tevi si se poate
ajunge la viteze nalte si la coeficienti mari de transfer de ambele
parti ale tevii interioare. Prin aceasta consumul de agenti termici
poate fi foarte mic. Schimbatoarele de caldura teava n teava sunt
cu contracurent si se pot utiliza nu numai ca racitoare si
condensatoare, ci si ca ncalzitoare. n cazul cnd consumul de agenti
termici este mare, schimbatoarele de caldura teava n teavase compun
din cteva sectii racordate paralel. Vitezele nalte de circulatie
ale agentilor termici mpiedica depunerile de precipitate. Daca
conditiile exploatarii nu impun curatirea spatiului din teava si
dintre tevi, schimbatoarele de caldura se fac nedemontabile
(fig.1). Constructia este foarte simpla si consumul de metal, n
comparatie cu alte constructii de acelasi tip, este minim.
Fig.1.
Daca este necesara curatirea spatiului dintre tevi si pentru ca
mantaua sa fie confectionata din otel carbon, constructia
schimbatoarelor de caldura din metale scumpe (de exemplu oteluri
austenitice) se executa demontabila (fig.2). evile se recomanda a
fi confectionate din : aluminiu,otel, nichel, cupru, tungsten si
metale refractare. Se fac cercetari pentru gasirea celor mai
eficienti agenti termici si materiale pentru confectionarea tevilor
astfel nct randamentul procesului de transfer termic sa fie ct mai
ridicat.
6
Fig.2.
Pentru micsorarea numarului de mbinari, fiecare tronson al
schimbatorului de caldura este format din elemente n forma de
U.Flansele capetelor tevilor interioare la fiecare tronson trebuie
sa fie si ele demontabile. Etansarea la flanse se asigura cu o
garnitura, care n acelas timp serveste si la compensarea
dilatarilor termice. Suprafata de schimb de caldura n aceste
schimbatoare de caldura poate fi formata nu numai din tevi netede,
ci si din tevi cu nervuri (fig.3). Ca si n alte constructii, tevile
cu nervuri se folosesc pentru egalizarea conditiilor schimbului de
caldura de ambele parti ale suprafetei de schimb de caldura.
Lichidul mai vscos, la care coeficientul de transfer este mai mic ,
circula pe partea cu nervuri, adica n spatiul dintre tevi.
Fig.3. Tipuri de tevi cu nervuri: a- cu nervuri longitudinale b-
cu nervuri elicoidale c- cu nervuri radiale.
n fig.4. este reprezentat un schimbator de caldura teava n teava
cu o suprafata de schimb de caldura prevazuta cu nervuri si care se
foloseste n7
industria petroliera. Pentru marirea compactitatii n locul
mbinarii cu flanse se folosesc mbinarile cu nipluri.
Fig.4.
Schimbatoarele de caldura teava n teava sunt foarte potrivite
pentru construirea ncalzitoarelor din fonta silicioasa, ceramica,
sticla si alte materiale de acelas gen. Camasa schimbatoarelor de
caldura are un astfel de diametru, nct prin ea sa treaca cu un joc
minim capatul ngrosat al tevii. Jocurile dintre tevi sunt etansate
de ambele parti cu garnituri, la care si bucsa fixa si bucsa de
strngere se executa din doua jumatati. Ambele jumatati ale fiecarei
bucse fixe se sprijina pe patru suruburi introduse n bosajele
mantalei, dupa ce teava a fost introdusa n manta. Flansele care
leaga coturile de tevi au o constructie obisnuita (fig.5).
Fig.5. mbinarea tevii din fonta silicioasa cu camasa de otel
Dezavantajele schimbatoarelor de caldura teava n teava: 1)
consum mare de metal la 1m2 de suprafata de schimb de caldura, n
comparatie cu alte tipuri de schimbatoare de caldura;
8
2) dimensiuni mari de gabarit. Aceste dezavantaje sunt
compensate din plin de productivitate nalta pe fiecare metru de
suprafata si prin micsorarea suprafetei necesare de schimb de
caldura. Schimbatoarele de caldura tip teava n teava sunt
utilizabile mai ales n cazul unor consumuri mici si medii de agenti
termici si constituie un tip modern de utilaj. Schimbatoarele de
caldura teava n teava sunt construite din doua tevi coaxiale prin
care circula cele doua fluide. Elementele sunt asamblate n serie
prin legaturi fixe (sudura) sau demontabile, daca conditiile de
exploatare impun sau nu curatirea spatiului din interiorul tevilor.
Au o constructie relativ simpla si permit variatia marimii
suprafetei de transfer prin adaugarea si eliminarea de elemente
(fig.6).
Fig.6. Schema functionala a schimbatorului de caldura tip teava
n teava : a- schimbator de caldura tubular; b- schimbator de
caldura compact (cu asezarea tevilor n serpentina); H- naltimea
schimbatorului; Ddiametrul serpentinei; L- lungimea tevilor; S-
pasul serpentinei; d2ediametrul tevii exterioare; d1e- diametrul
tevii interioare; (diametre exterioare); t1,t1- temperaturile,
initiala si finala, ale produsului incalzit sau racit;t2, t2-
temperaturile, initiala si finala, ale agentului termic. La
ncalzirea unui lichid pe seama caldurii cedate de aburul saturat
care condenseaza, este indicat ca lichidul sa circule de jos n sus
prin interiorul9
tevii, iar aburul (si condensatul) de sus n jos n spatiul inelar
dintre cele doua conducte, condensatul evacundu-se pe la partea
inferioara prin intermediul unui separator de condensat. n acest
sistem se realizeaza o circulatie n contracurent. Aceasta se poate
realiza si n cazul transferului de caldura ntre doua lichide, cnd
viteza lichidului care circula de sus n jos trebuie sa fie aleasa
nct teava sa fie tot timpul plina (sa existe curgere fortata).
Acest tip de schimbatoare de caldura este utilizat atunci cnd
debitele de fluid sunt mici. Ele se construiesc prin legarea n
serie sau n paralel a unor elemente compuse din doua tevi coaxiale.
Aparatul poate fi adaptat cu usurinta la procesul tehnologic pentru
care este destinat, prin schimbarea lungimii tevilor sau a
numarului elementelor de transfer de caldura. n industria
alimentara, schimbatoarele de caldura cu tevi coaxiale sunt
utilizate n industria uleiului si a vinului, n general pentru
variatii mici de temperatura.
3.2 Instalatie din industria vinuluiIndustria de prelucrare a
produselor horticole, n particular cea vinicola si de prelucrare a
fructelor, este dotata cu utilaje si instalatii complexe, cu un
grad nalt de mecanizare si automatizare. Utilizarea caldurii si
frigului n procesele tehnologice se face n diferite stadii de
prelucrare a strugurilor si fructelor si are ca scop obtinerea
calitatilor specifice ale produsului finit. Operatiile termice n
procesul tehnologic de prelucrare a produselor vinicole pot fi
urmatoarele: - termomaceratia strugurilor sau a bostinei n scopul
intensificarii extractiei colorantilor si a altor substante din
pielita boabelor; - racirea mustului pentru evitarea fermentarii
nainte de limpezirea acestuia; - limpezire prin ncalzire
rapidapentru coagularea proteinelor si separarea suspensiilor din
sucul de fructe; - conservarea sucurilor de fructe si a vinului
pentru pasteurizare si refrigerare.10
Maceratia la cald sau termomaceratia este o operatie tehnologica
care se bazeaza pe ncalzirea strugurilor sau mustuielii n vederea
extractiei culorii din pielita boabelor. Tratamentul termic al
mustului pentru evitarea fermentarii nainte de limpezirea acestuia
consta n ncalzirea mustului timp de 2 minute la 85...90C si racirea
lui imediata pna la temperaturi de 15...16C. Acest tratament este
recomandat n special pentru vinurile de consum curent. Practica
vinicola arata ca ncalzirea mustuielii la 70C, timp de 15...30
minute, face ca extractia antocianilor sa fie buna iar oxidazele sa
fie inactivate. Aducerea mustuielii la temperatura de 70C trebuie
facuta ct mai rapid posibil, deoarece enzimele oxidazice, cu
activitate maxima n intervalul de temperatura 45...50C, produc
modificari rapide si profunde cnd ncalzirea este lenta.
Termomaceratia are, n comparatie cu tehnologia clasica, o serie de
avantaje dintre care se pot mentiona: - valorificarea mai eficienta
a recoltelor atinse de putregaiul cenusiu, contaminate de digerite
mucegaiuri sau care n-au ajuns la maturitatea tehnologica ; -
permite reducerea dozelor de SO2; - favorizeaza scurtarea duratei
de fermentare; - conduce la intensificarea culorii rosii; -
necesita mai putina manopera; - elimina unele opetatii greu de
executat; - favorizeaza o mai buna utilizare a capacitatilor de
fermentare si creeaza posibilitatea diversificarii productiei
vinicole; - permite executarea procesului tehnologic de obtinere a
vinurilor rosii n flux continuu, cu productivitate nalta; - permite
separarea operatiilor de macerare si de fermentare si dirijarea
individuala a acestora; - termomacerarea la 70C evita aparitia
gustului fenic care se percepe la vinurile obtinute din struguri
alterati, vinificati prin procedeele clasice.11
n exploatarea curenta se folosesc utilaje pentru termomacerare
cu functionare continua, formate n principiu dintr-un schimbator de
caldura si un recipient pentru stocarea mustuielii n vederea
termomacerarii. Schimbatorul de caldura teava n teava este folosit
pentru termomacerarea mustuielii prin recircularea n masa acesteia
a fazei lichide (must) ncalzite. n acest scop , circa 60-70% din
mustul separat se trece prin schimbatorul de caldura unde se
ncalzeste la aproximativ 85C. Mustul mcalzit este recirculta prin
mustuiala din care provine pna cnd temperatura acesteia ajunge la
70C. Pentru a atinge aceasta temperatura, ntr-un timp ct mai scurt,
fara ca temperatura mustului sa depaseasca 85C, este necesar ca
debitul de recirculare al mustului sa fie de cinci ori mai mare
dect debitul mustuielii. Acest procedeu, prin care se poate ncalzi
ntraga cantitate de mustuiala prin recircularea mustului, se
caracterizeaza prin ridicarea rapida si omogena a temperaturii fara
riscul suprancalzirii partilor solide. Procedeul poate fi folosit
si la termomacerarea strugurilor nezdrobiti, la care ca agent
termic recirculant se foloseste vin de circa 8% vol. ncalzit la
50C. Actiunea simultana a alcoolului si caldurii permite reducerea
duratei de macerare la 10 minute. Fluxul tehnologic de obtinere a
vinurilor rosii prin macerare la cald cu ajutorul mustului este
prezentat n fig.7. Fractiunea de must folosita pentru ncalzirea
mustuielii repreuinta 6070% din cantitatea totala de must ravac.
Restul de 30-40% din mustul ravac, ce a fost n prealabil separat cu
ajutorul scurgatorului nclinat cu melc, nu se mai ncalzeste ci se
colecteaza separat n vederea asamblarii lui cu mustul termomacerat,
rezultat de la al doilea scurgator nclinat si presa continua.
12
Schema fluxului tehnologic pentru vinificatie n rosu prin
macerare la cald: 1- mijloc de transport autobasculant; 2- buncar
de receptie; 3- zdrobitor- dezciorchinator cu pompa; 4- scurgator
nclinat cu snec; 5- vas de ncalzire a mustuielii; 6- recipient
pentru maceratie la cald; 7- scurgator nclinat cu snec; 8- presa
continua;13
9- cisterna tampon; 10schimbator de caldura teava n teava.
4. Calcule
ntr-o instalatie termica, schimbator de caldura cu circulatia
fluidelor n contracurent, trebuie sa se ncalzeasca o cantitate de
must m1=215kg/h de la temperatura t1=42C pna la t2=75C. Mustul are
o capacitate termica de 3726J kgK. Pentru ncalzire se foloseste
apa, care intra n schimbator cu temperatura 90C, debitul apei fiind
de 350kg h. Valoarea coeficientului global de transfer de caldura
este k=1004W m2K.
4.1 Bilantul de materiale
materiale intrate = materiale iesite
Materiale intrate - 215kg must - 350kg apa calda Materiale
iesite - 213kg must - 345kg apa racita - 7kg pierderi
215+350=213+345+7 565=56514
4.1. Bilantul termicExpresia bilantului termic este: Qin=Qies
Qin - cantitatea de caldura intrata n schimbatorul de caldura; Qies
- cantitatea de caldura iesita din schimbatorul de caldura;
Calculul cantitatii de caldura intrata n schimbatorul de caldura
teava n teava Qin = Qmust intrat + Qapa calda Qmust intrat -
cantitatea de caldura adusa de must Qapa calda - cantitatea de
caldura adusa de apa calda (agentul termic) Qmust int = mmust cmust
tmust intrat
mmust - cantitatea de must supusa ncalzirii [kg] cmust -
capacitatea termica sau caldura specifica a mustului [J/kgK] tmust
intrat = 42C = 42+273 = 315K Qmust intrat = mmust cmust tmust
intrat = 215kg 3726 K = 252343350 J
Qapa calda = mapa calda capa calda tapa calda mapa calda -
cantitatea de apa calda intrata n schimbator; capa calda - caldura
specifica a apei calde;
15
tapa calda - temperatura apei calde; mapa calda = 350kg capa
calda = 4190J/kgK (la 90C) tapa calda = 90C = 90+273 = 363K
Qapa calda = 350kg 4190
=532339500 J
Qin = Qmust+Qapa calda = 4205722,5+8872325=13078047,5W
Calculul cantitatii de caldura iesita din schimbatorul de
caldura teava n teava Qies = Qmust ncalzit + Qapa racita + Qp Qmust
ncalzit - cantitatea de caldura primita de must; Qapa racita -
cantitatea de caldura cedata de apa calda; Qp - cantitatea de
caldura pierduta cu mediul extern;
Qmust ncalzit = mmust ncalzit cmust ncalzit tmust ncalzit mmust
ncalzit - masa de must ncalzita [kg]; cmust ncalzit - caldura
specifica a mustului ncalzit [J/kgK]; tmust ncalzit - temperatura
mustului ncalzit; mmust ncalzit = 213kg cmust ncalzit = 3726J/kgK
tmust ncalzit = 75C = 75+273 = 348K16
Qmust ncalzit = mmust ncalzit cmust ncalzit tmust ncalzit
= 213kg 3726 = 276186020J
Qapa racita = mapa racita capa racita tapa racita mapa racita -
masa de apa racita;
capa racita - 4180J/kgk; tapa racita = 78C = 78+273 = 351K Qapa
racita = 345kg 4180J/kgk 351K
= 506177100J
Qp = Qin - (Qmust ncalzit + Qapa racita) =
13078047,5-(46031003+8436285) = 13078047,5-13039385 = 38662W
17
Bibliografie
1. Banu C., Ingineria produselor alimentare. Operatii si
utilaje., Editura Tehnica , Bucuresti 2002 2. Cebotarescu I. D.,
Neagu C.,Bibire Luminita, Utilaj tehnologic pentru vinificatie ,
Editura tehnica, Bucuresti 1997 3. Stancu Alexandru, Mamaliga Ioan,
Industria chimica- Operatii si utilaje de baza , Editura Gh.
Asachi, Iasi 1997 4.
.http://www.directindustry.com/find/coaxial-heat-exchanger 5.
Ibrahim Dincer, Heat transfer in food cooling applications,
University of Victoria, 1997 6.
http://alisa.ucsd.edu/LIB/REPORT/UCSD-ENG/UCSD-ENG-089.. 7.
http://www.me.umn.edu/education/courses/me4331/heatex 8.
http://wwwsoc.nii.ac.jp/grsj/back/back7-8.html 9.
http://www.egi.kth.se/courses/4A1601/Files/VT-tenta%20 10.
http://saato014.hut.fi/Hyotyniemi/publications/02_sims 11.
Rasenescu, A. Badea, A. Leca, M. Marinescu; Transferul de caldura
si masa. Teorie si aplicatii, Editura Didacticasi Pedagogica,
Bucuresti 1983
18
19
