2 J

Povrsine s mehenickim od vod enjem nosioca topline. Prirodno strujanje fi/ma popovrsnn za izmjenu lop/in" svr sishod no je samo kod kortst.enja kapljevine s nis kornvis koz noscu. U tom je s lucaju strujanjc odredeno samo s gravitacijskom silom i silarnatrenja. Ako je pot.rebno or ganiz irati strujanje filma viskozne kapljevme , za to sekoriste raz licit a ustrojstva za Lransport.. Ona sad rze mehanicke sustave koji se pogonepornocu vanjskog izvo ra energije.

1 .1 .6. Tipovi uredaja za izmjenn topline

Ovdje su izmjenjivaCi topline podijeljeni prema konstrukeijskoj izvedbi ifunkeionalnoj namjeni. Dani su tipicni nazivi osnovnih tipova aparata i opi sane njihovcspecif icnost.i.

Cijev ni iz mjenjivec topline U oblik u plest bez fazne promjene nosilscs topline.VeCina tzm ienpvaca topline bez dovodenja topline "plamenorn", koji rade s nosiocimatopline bez prijelaza iz jedne u drugu f'azu, predstavljaju aparate sa snopovima cijevi iunutarnjim prcgradama.To znaci da jedan od nosilaea topline struji unutar ravnih ilisavijenih cijevi , a drugi u meducijevnom pros toru , opst.rujavajuci le cijevi. Sve cijevi susmjeStene u jedan plast dok se strujanje nosilaea toline organiz ira s pregradama. Tepregrad e osiguravaju razmak i raspore d eijevi i u odredenoj mjeri odreduju smjerst.rujanja fluida.

Koriste se mnogi tipovi eijevnih iz mienjivaca topline; konkretni izbor t ipaaparata ovis i 0 re lat ivno] vrijednosti pojedinih faktora te namjeni aparata. U skup tihfaktora spada i cije na iz rad e aparata (tnve sticijs ki tro sak) , t ro skovi eksploatacije(osobito t.roskovi transporta nosilaea t.oplinel. mo gucno st Ciscenja aparata, sklonoslkoroz iji, raz hka radnih tlakova medija. opasnosli koje su povezane s curcnjem nosiocatopline, radno pod rucje temperatura te sklonost pojavi loplinskih naprez anja,mogucno st pojave vibraciia cijevi i pojava lomova zbo g zamora.

Konstrukcije se mogu raz likova ti i po drugima karakteristikama (po brojuprolaza nosilaea topline u cucvrma. prornjcnu srnje ra st.rujanja nosilaea topline. brojuprcgrada u med ucijevno m pros toru , itd.l.

Nisu svi iz mje njivaci I.opline toga tipa koji rade s jed nof'az nim nosioeima toplineizved eni pomocu cijevno g snopa u plastu. U prehrambenoj i f'armaceut.s ko] industrijikoriste se izmjenjivact topline. koji se sastoje od vise ili manje ravnih ploca, kojerazdvajaju nosioce lopline i kroz koje se preno si toplina. Slicni se izrnjenjivaCi toplineprimjenjuju kada pad tiaka izmedu dva toka nije jako ve lik , a takoder i kada jepotrebno lako cisCenje povrsrna.

lspertveci, bojleri i rebojleri, Ako je iz rnjenjtvac topline pred vid en za prevodenjejednog od nosioca lopline iz kapljevitog slanja u parno, primjenjuju se modificiranicijevni aparati. U usporedbi s aparatima bez promjene f'az nog stanja nosioca topline.lzmjenjivaci koji proizvod e paru obicno imaju volumene. u kojirna dolazi do razdvajanjakapljevit.e i par-ne faze.

Ako se para generira unutar ctievi, to se odvajanje realizira ili u gornjimkolektorima velikih dimenz ija , ili u dodalnim supljinama koje su spojene skolektorima. Ako se para generira u meducijevnom pro storu. to se unutar plasta(kucista) moze pred vidjeti pod rucje slobod no od cijevi , nesto veceg promjera.Konstrukcijske izvedbe mogu biti razticite. kucist.e moze biti vertikalno ilihorizontalno, s vanjskirn "pad nima" cijevirna , predvidenima za recirkulaciju kapljevine udonji dio kucista , ili bel njih. Kod ispartvaca s proiz vod njorn pare U cijevirna takoderse cesto organiztra recirkulacija , koja moze biti prirodna (pod djelovanjem gravitacije) ,ili prisilna (o stvarena P0ll10CU pumpe) .

Postrojenja za susen]e. Kod nekih je izmjenjtvaca topline pot.rebno reahz irattis paravanje vode I ili neke d ru ge kapljevine) . Za tu svrhu slufe prethodno spomenutiis parivaci , a takoder i postrojenja za susenjc , u koja ulazi kruta tvar s visokimsadrzajern vlagc, a nakcn kontakta s tokom napusta postrojenje s niskim sad rza]vlage.

Postrojenja za susenje jako se razlikuju po ustrojstvu i nacmu rada u ovisnos tio materijalu koji se susi. Tako npr . mlije ko 11 prahu moze se dobit.i rasprs ivanjemtekuceg mlijeka u vrucern plinu- produktima izgaranja goriva; papir se susi prilikomnjegovog provlace nja po povr sin i rot.irajuce g bubn]a koja se grije parom, te seistovremeno iznad papira propusta zrak , t.kanina se sust st.rujo m pare ili zrakaprilikom njenog prernjest.anja duz tekuce trake.

Lozist. 0 koristenju prod ukata izgaranja goriva u zraku kao jed nog od nosilacatopline u Izmjenjivacu topline vec [e ranije bilo govora. Ako se izgaranje gortvarealiz ira unutar izmjenji vaca topline. a ne u vanjskoj komori izgaranja (kao npr. kodplinskoturbinskog post.rojenja) izmjenjtvac topline rnoze se nazvati lozistem.

Izmjenjivaci topline tog tipa razlikuju se po obliku u zavisnosti 0 vrs ti goriva(plincvtto , te kuce ili krutol , zagrijavanom materijalu (to moze biti mazut uekraniztranlm cijevirna lozista. kada rast.aljenog zeljeza. pec krut.ih glinenih oroizvoda)te kapacitetu postrojenja. Ovd ie je vazno naglasiti znacen]e radijacijskog pr ijenosaLopline.

1.1.7. Nestadonarnl TBd IzmJenJival2 topline

Prijels zni procesi u izmjenjivaCima topline stacionarnog djelovanja. lako to nijeposebno naglaseno , kod svih se prethod no navedenih izmjenjivaca t.oplinepretpostavljalo da su proracunatt za stacionarni rez im rada. lsto tako rad izmjenjivacauvije k ima svoj pocetak i kraj rada: ist.o tako, kod rada u indust.riji neizbjez ni suprijelazi s jednog stacionarnog rez irna na d ru gi. Moze se takoder pokazat.i, da trajanjeprijelaznih period a je znacajni dio ukupnog vremena rada izmienlivaca topline.

A ko se pokazatelji, odredeni is k ljucivo na terne liu karakteristika stacionarnihreZima rada, b+tno razlikuju od stvarruh, potrebna je kvant.itat.ivna analizanestacionarnih rezrma rada izmjenjivaca topline.

Postoji i drugi uzrok. Cesto su karakteristike izrnjenjivaca topline u periodunjegovog upustanja i zaustavljanja povezane s problemom sigurnog rad a postrojenja ucijelosti, osobito ako se prijelazni proces ostvaruje u neplaniranom redoslijedu. npr.kao rezultat nestanka napajanja cle ktrtcno m energijom. Tada se zbog br ze promjcnetemperature mogu pojavit.i terrnrcka naprezanja, a kod hid rau lick.ih udara, povezanih snaglim usporavanjern dijelova kapljevine- lornovi cjevovod a i njihovih spojeva.

!zmjenjivaCi topline period ick og dje/{)vanja (regeneretori), Rad nekih izmjeniivacatopline u bit i je nestacionarnog karaktera. Takovi su izmjenjivact topline poznati kaoregeneratori. Njihovo karaktertstrcno obilje fje je to, da fluidi koji razmjenjuju toplinuzauzrrnaiu jedan te ist; prostor naizmjence.

Tipicn! je primjer regenerator za indus trtjs ke peel koje zagrijavaju staklenumasu pornocu plamena nad povr sino m stakla. Namjena regeneratora je prethodnozagrijavanje zrak a, koji se dovodt za izgaranje goriva. pute m oduzimanja dijela toplineod produkata izgaranja. To se izvod i naizmjenicnirn propuStanjem zraka j produkataizgaranja kroz jed nu te istu labirint.nu kerarnicku pec. Kod strujanja plinova izgaranjakeramika se zagrijava, a plinovi hlade. Potom se kod st.rujanja zraka on zagrijava ahladi keramika. Opisani se proces ponavlja period ickl .

22

Kondenzatori. Cravitacijsko odvajanje kapljevmc i pare ig ra vaznu ulogu i uosiguranju rada konclenzat.ora, bja konst.rukcija takocler moze biti raznovrsna 1 Uvelikoj je mjeri odredena omjerom koliCine ko nde nzirajuce ncko nde nztrajucckomponente u toku kapljevine koja se hladi.

Cak ako i hladeni tok pare teorijski moz e u pot.puno sti izkondenzirati (npr ..kod kond enzato ra pare U tcr moetek t.raru) . usisavanje zraka rnoze uvjet ovat.i neophod noodvodenje dijela ne kond enz irajuce faze. Kod toga brz ine strujanja trebaju biti takove.da tok zraka koji se od vod i istovreme no ne bi odnosio sa sobom i vodu koja strujinadolje. Taj se zahtjev os ig urava ustrojstvom od govarajucih koridora izmedu cijevn ihsnopova Pregrade u kondenzatoru su ugradene na takovi nacin, da bi iskljucilemogucno st st.ruja nja pare po naik racem putu od mjesta dovo denja pare do tocke gdjese otsisava zrak.

Kod kondenzatora termoelektrana para obicno kondenzira u meducijevnomprost.oru, a ras hlad na voda st.ruji kroz horizontalne cijevi , Kod t.ehno losk ih se aparatakond enzactja obicno odvija unutar cijevi . U t.irn se sfucajevirna cijevi obicno izvod evertikalnima.

Rashladni tornjevi. Rashlad na voda, koja prolazi kroz kondenzatortermoelektrane ili se koristi u kem ijsko m postrojenju, cesto se treba ohladiti putemnjenog kontakta s o ko li snjirn zrakom. Za to se koriste tzv. rashladni tornjevi. Uprvom redu mogu se klasificirati po tome da Ii postoji ili ne neposredni kontakttzmedu zraka i vode i po nacmu cirkulacije zraka (pr+ro dna ili pri silna pomocuventi lato ra) .

Najrna nji t ro skovi eksploatacije pos t.izu se u rashladnom tornju s prirodnomcirkulacijom (uz gono ml . Oni imaju vtsoki plast , koji je u pod nozju otvoren za ulazatmosfcrskog zraka, .i koji se usrnjerava prema povrstnarna za izmjenu to plme. St~ jevisi plast, rashladnog tornja, to je duii put toka zraka; isto tako rastu i inveslicijskitro skovi . Na taj nacm, s ekonomskog st.anovista postoji optimalna visina .

Rashlad ni to rnjevi s prisilnim uzgonom su nizi, zato je njihova grad nja jef t imja:isto tako u njih ugradeni ventilator za transport zraka zahtjeva znacajni clodatniut.rosak elekt.ricne ener gije , st.o takoder zahtjeva izna laf enje optimalne visinerash lad nog tornja.

Ako su dopust ent gubici vodc uslijed njenog isparavanja i "zagad ivanje"atmosfere vlagom, a dodavan]e vode nije ograntceno, to zrak rnoze bit.i neposreelno ukontaktu s vodorn. U korist t.akovo g r iesenia id u sljedcce Cinjenice. Ko ris te njelatentne topline isparavanja povecava ras hlad nu sposobnost iste koliCine zraka. Osimtoga, kod rashlad nih t.or njeva s prirod nom cirkulacijom zbog niske re lat.ivnerno leku larns mase vod ene pare povecavs se rezuturajuca uzgonska sila sredineDirek tni kontakt medija je opcepr ihvace no rje senje u aparatima kako s prts ilnirn t.ako iprirodnim uzgonom.

U ras hla dnim tornjevima s in d ire kt.ni m kontaktom nosilaca topline rashladna jevoda odijeljena od zraka s krutorn stijenkom, obicno stijenkorn metalne cijevi. Stijenkacijevi je sa st.rane zrak a i':esto o rebre na zbog int.enz iviranja prijelaza topline. Objek tislitnih rashlad nih tornjeva bez direktnog kontakta mcdija (cesto se ih za razliku odvlaf nih rashlad nih lornjeva s direktnim kontaktom nosilaca topline naz iva suhirnl SIJpuno sk up lji, no isto tako ti tornjevi nemaju gubitak vode u atmosferu.

Prethodno dana klasifikacija ne obuhvaca sve tipove ustrojstava: post.oje nprkombinirani rashladni tornjevi gdje se ist.ovreme no koristi i prirodni i prisilni uzgon.

Postrojenja za susen]e. Kod nekih je izmjenjtvaca topline pot.rebno realiziratiisparavanje vod e (ili neke druge kapljevine] . Za tu svrhu sluze prethodno spomenutiis parivaci. a takoder i postrojenja za susenic , u koja ulazi kruta tvar s visokimsad rZajern vlage, a nakon kontakta s tokom napust.a postrojenje s niskirn sad rzajvlage.

Postrojenja za susen]e jako se raz lik uju po ust rojst vu i naCinu rad a u ovisnostio materijalu koji se susi. Tako npr., mlije ko u prahu moze se dobit.i rasprsivanjemte kuceg mlijeka u vrucern plinu- produktima iz garanja goriva: papir se susi prilikomnjegovog provlacenja po povr sm! ro t irajuce g bubnja koja se grije parom, te seistovremeno iznad papira propusta zrak , tkanina se sust strujom pare ili zrakaprilikom njenog prernjest.anja duz tekuce trake.

Lozists. 0 kor+stenju produkata izgaranja goriva u zraku kao jednog od nosilacatopline u izmjenjtvacu topline vec je ranije bilo govora. Ako se izgaranje gortvareabz ira unutar izmje nji vaca topline. a ne u vanjskoj komori izgaranja (kao npr. kodplinskoturbinskog post.rojenja) izmjenjivac topline rnoze se nazvati lozistem.

Izmjenjivaci topline tog tipa raz likuju se po obliku u zavisnosti 0 vrs ti goriva(p linovito , te kuce i li krutol, zagrijavanom materijalu (to moze biti mazut uekrantz iranim cijevirna lozi1'l.3, kada rasl.aljenog jeljeza, pec krut.ih glinenih proizvodalte kapacitetu postrojenja. Ovdje je vazno naglasiti znacenle radijacijskog prijenosatopline.

1 .1 ,7. Nestadonamt rad 1zmjenJlval2 topJtne

Prijelazni procesi Cl izmjenjivaCima topline stacionarnog djelo vanja. lako to nijeposebno nag laseno , kod svih se prethod no navedenih izmjenjivaca toplinepretpostavljalo da su proracunati za stacionarni rez im rada. Isto tako rad izmjenjivacauvije k ima svoj pocetak i kraj rada; ist.o tako, kod rad a u industriji neizbjez ni suprijelazi s jednog stacionarnog rez irna na drugi. Moze se takoder pokazati, da trajanjeprijelaznih perioda je znacajni d io ukupnog vremena rada izmjenjivaca topline.

Ako se pokazatelji, odredeni Isk ljucivo na temelju karakt.eristika stacionarnihrd.ima rada, bitno raz ltkujtr od stvarnih, potrebna je kvantitativna analizanestacionarnih rez ima rada izmjenjivaca topline.

Postoji i drugi uzrok. Cesto su karakteristike izmjenjivaca topline u periodunjegovog upustanja i zaustavfjanja povezane s problemom sigurnog rada postrojenja ucijelos ti, osobito ako se prijelazni proces ostvaruje u neplaniranom redoslijedu, npr.kao rezultat nestanka napajanja clekt rtcnorn ener gtjom. Tada se zbog brze promjenetemperature mogu pojavit.i t.errnrcka naprezanja, a kod hid rau tlckih udara, povezanih snaglim usporavanjem dije lova kapljevine- lomovi cjevovoda i njihovih spojeva.

JzrnjenjivaCi topline period ickog djelovanja (regeneretori) . Rad nekih izmjenitvacatopline u bit.i je nestacionamog karaktera. Takovi su izmjenjivaci topline poznati kaoregeneratori. Njihovo karakt.eris trcno obilje zje je to, da fluidi koji razmjenjuju toplinuzauzimaju jedan te isti prostor naizmjence.

Trpic ni je primjer regenerat.or za industrijske peci koje z.agrijavaju staklenurnasu pomocu plamena nad povrsmom stakla. Namje na regeneratora je prethodnozagrijavan]e zraka, koji se dovod i za izgaranje goriva, putem oduzimanja dijela toplineod produkata rzgaran]a. To se izvodi naizmjenicnim propust.anjem zraka i produkataizgaranja kroz jednu le istu labirint.nu keramicku pec. Kod strujanja plinova izgaranjakerarnika se zagrijava, a plinovi hlade. Potom se kod strujanja zraka on zagrijava ahladi keramika. Opisani se proces ponavlja periodiCki.

Zbog toga da bi dovodenje zraka u Ioz.ste bito ko nti nu irano , obicno se se nasvako loziSte ugraduju dva rege nerator a. Dovodenje zraka se prespaja s jednogiz rnjenjivaca topline na d rugi pornocu ventf la; za to vrijeme prod u kt.i izgaranja ulaze uaparat , koji se ne koristi za zagrijavanje zraka.

Poz nata su dva tipa regeneratora. Kod jednog od nji h , kao kod navedenogprimjera. kruti materijal iz mjenjivaca topline je nepormcan: kod drugog kruta popunakon ttnu iran i rotira i uzastopee pro lazi kroz odsjeke, kroz koje se propusta "toph i"hlad ni" nosilae topline.

1.1.B. Osnovnl pojmov\ kod proral':unai konstrairanja izmjenjiva~ topllne

Koet icije nt: prijelaza topline. Razumijevanje koeficijenta prijelaza topline c< kaokoefieijenta proporcionalnosti izmedu toplinskog toka q i ternperaturne razlike (; Ttemelj je vecme metoda proracuna izmjenjivaca topline. Koefieijent prijelaza topline jeprije svega po godan parametar kod sastavljanja jednadz bt za proracun Kod nizaprocesa prijelaza topline (kao npr. mjehurtcast.o k ljucanje i prirod na konvekcijal a ovisio razliei tempcratura i na prvi se pogled Cini da se u tim s lucajevima ne mozeprimjenjivati. No poste ne postoji prihvatljivija alternativa to se i u tim s lucajevirnaprimjenjuje pojam koeficijenta prijelaza topline.

Osnovna se prednost koristenja a za kvant.itat.ivni opts intenziteta prijelazatopline sastoji u tome, da se pornocu vrijednosti a za dva raz Iicit a toka kojirazmjenjuju toplinu moze povezati lokalni intenzitet prijelaza topline s lokalnomrazlikom temperatura izmedu to kova. Za najeesCi sluca] prijelaza topline izmedu dvanosioea toplme, koji su odijeljeni ci lind ricno m stijenkom, Cije su povr sine s obe straneisprljane. ukupni se koeficjent prolaza t.opline [J " iz razava pornocu koefieijenataprijelaza topline pojed inog nosioca topline i drugih parametara sustava na sljedeCinacm:

U'= 1 I {(t! ;l (A' I A)+ e, (A' IA)+ [A 'In(D / D)l2llLA ,J+R ' A '/4' (1 I " 'lA ') '1 6'+ (0 \ ,jt \ IX o) \A 0) , l - )

gdje .,,- indeksi koji se od nose na nosioee topline i povrsme s unularnje i vanjskepovrsme cijevi;

R,- toplinski otpor naslaga na povrs ini prijelaza topline (pr+iavs t.ina, produktikorozi]e , organski spojevi, itd}:

A"- povrsina bilo koje pogodne plohe za proracun:

U'- koeficijent prijelaza topline koji se odnosi na tu povr sinu .

Kao proracunska povrsma najce sce se koristi vanjska povrsma za prijelaztopline A,. U nekim se slucajevima jed n.Ll > 6) 1I odredenoj mje ri moze poje dnost.avit.i.No isto tako t.reba naglasiti, da se kao proracunska moze odabrati bilo koja ploha tese za nju moze jed noznacno odrediti odgovarajuCi koefieijent prijelaza toplme. Vezapovrsma ploha, koje su odabrane kao pogodne za proracun, te pripad ajucihkoefieijenata moze se zapisati U obli ku:

U'A '= U A = UAo 0 I f i1 - 7)

j cd nad f ba , analogna iedn.t l - 6), moze se napisati za proizvoljne plohe(uk ljucujuci povecane , vises lojne sLijenke, itd.l.

Osnovne prorecunske iedued ibe. Lokalni intenzitet prijelaza tophne povezan je slokalnom raz likom temperatura izmedu d va toka pornocu je dnad zbe:

(1 - 8:t

gdje Tt, T.- lokalne temperature toplog i hladnog toka.

Jedn.(1- 8) primjenjiva je za stacionarne uvjete rada. lako se kod normalnograda vecine iz mjenjivaca topline strogo gledano stacionarni uvjeti rijetko os tvaruju , tokollcina topline koja se prenosi nesto nadvisuje akumuliranu tolinu samimiz rnjenjivaccm , sto je prihvat.ljlvo sa stanoviSta stacionarnosti. Odredeni iz mienjivacitoplinc rad e prvenstveno na prijelaznim reZimima, i kod njih je potreban drugi pristup.

Obicno se proracun sast.oji u od redivanju ukupne povrSine izmjenjivaca t.opline,koja je potrebna za prijenos ko licne topline QT' Jedn.f1- 8) moze se integrirati nasljedeCi nacin.

dQ(1- 9)

Integral se u prtncipu moze odrediti koristeCi jednad fbu toplinske bilance iprijelaza topline. U opcerutom shrcaju za prtje laz t.opline 11Z promjenu f'aza potrebno jetakoder kor-ist.it.i jed nad zbe mehanike f luid a i masene bilance, mad a se to uvijek uprak si i ne radio Na kraju , kod visekomponent.nih promjena faza potrebne S11jednad fbe lokalne fazne ravnoteze.

Algoritam rijesenja jed n.Ll - 9) ovis it ce kako 0 obliku prijelaza topline. tako io medusobnoj orijentaciji tokova u izrnjenjivacu topline. Nije pretjerano tvrditi, da jesarno u rijetkim s lucajevima mo guce rijesenje jed n.Ll - 9) bez prirnje ne racu nsketehnike. Isto tako se za vecinu izmjenjtvaca topline postupak proracuna moze znatnopojednostaviti.

Pojam srednje tempereturne razlike. Ako se prihvate odredene pretpostavke, tose jed n.Ll > 9) moze integrirati analittckt. Rezultati koji ce se dalje dati temelje se napojrnu srednje lemperaturne razlike /',T m' Pretpostavke su s ljed ece:

a) Bilo koji dio toka, koji ulazi u izrnienjtvac, u jednakoj mjeri uce stvu]e uizmjeni topline s povrsinom. To znaci , da ako koji god dio toka prolazi pored povrs ineizmjene tophne , to pojam /',Tm nije mo guce prirnijeniti, u kr ajnjoj mjert , u njegovomuobicaie nom srni slu:

b) IzmjenjivaC topline rad i u stacionarnom rez+mu,

ci Toplinski kapacit.et svakog od nosilaca topline je konstantan. Tupret post.avku zadovoljava izotermalni prijelaz faza (npr ., kondenzacija (:iste pare uzzanemarivo malt pad tlakal, koji odgovara slucaju beskonacnog toplinskog kapaciteta,sto bitno pojed nostavljujc sve pro racune.

d) Koeficijcnt prijelaza topline konst.antan je po cijeloj povrstnt,

e) Odvodcnje top line na oko lintr ilizanemartvo je malo;

dovodenje t.opline iz okoline

f) Uzduini toplinski tok moze se zanemariti;

g) Shema strujanja tokova moze se predstaviti kao istostrujna ili protustrujna:

Uz te se pretpostavke kao rezultat integriranja je dn.I l > 9) dobiva.

(1 - j 0)

pri cernu je za protustrujni sluca].

(1-10

i za istostrujni:

(r Lv - Th.ul- (T(;- Th.)In [(rl~- Th.)!(Tl,;- Th,)] ,

(1 - 12)

gdje drug i indeks u, t- odnosi se na temperalUru "hlad nog" ("toplog") nosioca loplinena ulazu od n. izlazu iz izmjenjivaca topline.

Kod vecinc izmjenjivaca topline sheme strujanja nosilaca topline nisu cistoistostrujne ili protustrujne, vec predstavljaju kombinaciju ta dva stucaja ili cakunakrsni tok. U pravilu, u tim se stucajevima jed n.I l - 9) takoder moze anahttcktizintegrirati te se dobiva:

A '= = (1 - 13)

kod cega se /',T'm od redu]e po jed n.I l - 11), F ovisi 0 smjeru toka i vrijednostimasljed ecih parametara:

(1- 14)

(1- 1Si

Za od redene najvaz nije konstrukcije iz mjenjivaca t.opline hit ce dani dijagrami ije dnadzbe za proracun F.

Prethodno dane jednadfbe predstavljaju najjednostavnije relacijc za proracun.Isto tako u uvjetima, kada nisu rspost.ovane pretpostavke, mogu se javiti bit.ne greskekod kortst en]a pojrna srednje t.emperaturne razlike /',Tm' Definiranje tipa zadat.kaproracuna odredenih izmjenjivaca topline (npr. kao sto su vertikalni termosifonskiisparivaci ili parcijalni kondenzatoril ne uklapa se u okvir pojednostavljenihprctpostavki cak ni prtbltzno , te je za njih potrebno numcril':ki int.cgrirati osnovnuje dnad Ibu .

1.1.9. Podjela Izmjenjival2 topHne S obzirom na konstrukc1ju

lzbor principijelne kons truk cije izmjenjiveca t.opline, Najvazmja je et.apa kodprojektiranja postrojenja s izmjenjivaCima topline izbor tipa konstrukcije za konkretniprakr.tcni sluca]. Konstruktor u najranijoj etapi proracuna treba proanalizirati po st.oiecetipove konstrukcija i izabratt najpri hvat ljiviju. Ako se ne moze prihvatiti koriacnorijesen]e. to ocig ledno, ekonomski je opravdana analtz a nekoliko manje ili visezadovoljavajucrh tipova postrojenja vec u prvoj etapi konstruiranja.

Jedan je od uvjet.a , koji treba zadovoljiti kod izbora principijelne konstrukcije,potpunost i tocnost metode proracuna. Zbog toga se u praksi cijevnirn Izmje njtvaci ma ,za Ciji proracu n postoje dosta sigurne metode, cesto daju prednosti pred dru gimtipovima konstrukcije s efikasnijim, no i manje sigurnim metodama proracuna.

l zrnjenjivec top/ine cijev 11 cijevi. Ti picn i iz rnjenjivac "cijev u cijevi" prikazan jena sl.t .12. Niegova se osohitost. sastoji u tome, sto se sastoji od jedne cijevi , ko]a jekoncentricno smjestena 11 drugoj cijevi veceg promjera s odgovarajuCim pr+kljuccima nakarajevi ma za dovodenje nosilaea topline iz jedne sekcije u dru gu. Unutarnja cijevmoze imati uzduzna rebra , koja su zavarena na nju s vanjske ili unutarnje strane zbogpovecanja povrsme za izmjenu topJine sa strane toka s nizim koeficijentom prijelazatopline. Zbog zadovo ljenja uvjeta ogranicenja pada tlaka svako g od tokova imogucno st.i primjene pojma sred nje temperaturne raz like sekcije izmlenjrvaca topJine"cijev u cijevi" spajaju se u seriju ili paralelno.

~

~==============~==,~:~ - '!:TI.~

tS1.1.12. lzmjenjivec topiine "cijev 11 cijevi"

IzmjenjivaCi topline "cijev u cijevi" koriste se u osnovnom za zagrijavanje ilihladenje nosilaca lopline u slucajevima , kada nisu potrebne velike povrsme za izmjenutopline (obicno do SO m2j. Mogu se takoder koristiti kod procesa, koji se provodedje lomicnim isparavanje m ili kondenzaeijom nosilaca topline. Prednost izmjenjtvacatopline "cijev u cijevi" sastoji se u raznovrsnosti kombinacija, i osim toga, mogu sebrzo sastaviti od standardnih elemenata na mjestu montaze. Prema potrebi moze sepovrsina za izmjenu topline povecati pornocu ugradnje dodatne sekcije. Pravilnimizborom konstrukcije ulaznih i iz laznih prikljucaka moze se osigurati efikasno cisce njepovrsrna za izmjc nu topline na obje stranc. Moze se jed nostavno provesti kontrolaraspodjele tokova nosilaca topline po svakom kanalu izmje njivaca topline, sto jeosobito vazno kod hladenja viskoz nih kapljevina, kada se u stuca]u potrebe jed napumpa moze ugraditi za grupu izmjennvaca topline. Glavni nedostatak Izmjenjtvacat.opline "cijev u c ijevi" je veliki volumen i cijena po jedinici povrSine za izmjenu top line.

Cijevni izmjenjivsc toptine s pls stom . Ttpicna konstrukcija cijevnog izrnjenjivacatopline s plast.o m prikazana je na sl.1 .13. Taj se tip izmjenjivaca topline u raz licit immodifikacijama najvise kcristi u industriji kao osnovna konstrukcija. Kod eijevnih seizmjenjivaca pos tizu dosta veliki omjeri izmedu povrsine za izmjenu topline spramvolumena i mase. Vehctna povr sine za izmjenu top line moze se lako mijenjati usiroko m pod ruc]u , konstrukcija ima dovoljnu cvrstocu i pod nosi normalna opterece njaprilikom prijevoz a i montaze, a takoder unutarnja i van isk a naprezanja u normalnimuvjc tirna rada. CiSCenje ne predstavlja poteskoce , a elementi koji su najvise izvrgnutikoroziji mogu se lako zamijeniti. Konstruktivne osobitosti orno gucavaju primjenu togtipa gotovo u svim slucajevirna , ukljucujuci granicno niske ili viso ke temperature

i t lakove, kod isparavanja i kondenzacijc i kod koriStenja jako zaprljanih i korozionoakt.ivnih nosilaca topline. Metode proracuna i lehnologija izrad e takovih izmjen iivacatopline siroko je poznata.

IlbzdIn~fi:'I' 1111 111/ ,,' ,a~~ f8Jly I ~Y I I I H~tl I 1~~B "11/' 1111111111 l~ ~H~ ~S1.1.13. Cijevni izmjenjivec topline s plestom

s Fik snom cijevnom st ijenotn

Cijevi su osnovni element, koji osrgurava prijelaz topline izmedu nosilacatopline, koji struje unutar cijevi i u meducijevnom prostoru. Cijevi mogu biLi ili glatkeili s niskim rebrima s vanjske strane zbog povecanja omjera A.I A,. U posljednjem seslucaju vanjski promjer rebara izabire nesto manji nego vanjski promjer neorebrenihkrajeva cijevi, sto ornogucava umetanje orebrenih cijevi kroz provrt.e u cijevnoj stijeni.Ctjevi se prtcvrscuju u cijevne stijenc na svakorn kraju (uz izuzetak [J- cijevi koje seucvr scuju samo u jednoj cijevnoj st.ijenil . Cijevi se ili uvaljcavaju u cijevnoj stijeni, ilise prrvaruju k njima s vanjske strane. U nekim se slucajevirna kod niskih t lakova cijevijednostavno utazu u provrte u cijevnim stijenama.

Cijevna stijena predstavlja metalni disk, u kojern su izradeni provrti za cijevi,elementi za brtvljenje, reset ka za poziciomranle i vijci za ucvrsctvanje , ako se cijevnaslijena prtcvr scuje vijcima za prirubnicu plast.a (ciievna stijena takoder moze bitizavarena za plast).

Ptast ima oblik cilindra, unutar kojeg su srnjestene cijevi i cirkulira nosilactoline. Obicno se izraduje valjanjem od celicnog lima odgovarajucih d imenziia izavarivanje m uzduznim savorn. Ptast malog promjera (do 0,6 m) mof.e se izradit.i odcijevi, rezajuci je na potrebnu duljinu. Oblik t.ih plasteva je u pravilu bttze cilind rtcnomnego oblik plast.eva koji se izraduju valjanjem od celicno g lima.

Nosilac topline ulazi u plast kroz ulazni prik ljucak a iz lazi kroz izlazni.Pr+kljucct se najcesce izraduju od standardnih cijevi , koje se zavaruju za ptast. Tamo,gdje se zahtjevaju mali gubitci tlaka, ravnomjerna raspo d iela nosilaea top line ili zastrtaod korozije, primjenjuju se specijalne konstrukeije. U slucajevirna, kada se umedueijevni prostor uvodi dvofazni tok ili zasicena para, unutar plasta se iza ulaznogpriktjucka mogu ugraditi reflektirajuCe ploce. koje imaju nesto vece d imenzije negopresjek prtkljuck a.

Raspodjela nosilaca topline po cijevima SI' osigurava pornocu kolektora iprik ljucaka. Ako nosilac topline, koji struji kroz cijevi , u veco] rnjer i moze izazvat.ikoroziju, ti se elementi mogu izrad iti od legura ili nis kotegiranih celika s po krovornnaneserum na odredeni nacin, Poklopci montaz nog i kolektora za raspodjelupricvr scuju se na takovi nacin da se bez ostece nja moze osigurati pregled eijevnestijene i cijevi. Za nosioca topline, koji st.ru]i kroz cijevi , mogu se koristiti umjestokolektora pok lopci koji se zavrcu s bocnim prf k ljuccima.

Vazru element vecine cijevnih izmjenjivaca su pregrade (def lektoril , Oneosiguravaju cijevi od savijanja i vibracija , a takoder usmjeravaju tok poprecno na cijevizbog intenz iviranja prijelaza topline Lis tovrcmeno povecava]u i pad t.lakal .

Segmentne pregrade su najjednostavnija varijanta konstrukcije. Osnovni zahtjevina pregrade se sastoje u tome, da su sve cijevi jednako ucvrscene i da se susjednepregrade dje lorn icno pre krivaju , u krajnjoj mjeri za jedan puni red cijevi zbogosiguranja dovo ljne krut.o st.i cijevnog snopa.

Takoder su bit.ni element konstrukcije veclne izmienjivaca toga tipa elementi zaucvrsce nie i brtvljenje.

Plocesti izmjenjiveci topline. Postoje tri raz licite konstrukcije izmjenjivacatopline. Karakteristika t.ih konstrukcija je prisutnost paralelnih ploca (uz is k liuce n]especijalnih ploca za osiguranje od deformacije kanala pod dje lovanjern vanjskog tlakal,koje tine sustav paralelnih kanala. Jedan nosilac topline struji kroz jedan kanal, adrugi kroz susjedne kanale. U taj tip izrnjenjtvaca topline spada plocast.i izmjenjivac sokvirorn ili izmjenjtvac "paket.nog " tipa, koji se najcesce naziva jed nostavno ploca st itzmjenjivac , spiralni plocastt izmjenjivac topline i plocasto- kucisn: ili izmjenjivactopline Ramena. Prva se konstrukcija najceSce koristi, dok je dalje dan kratki opisnavedenih konstru kcija.

Ptocast.i izmje njivac topline s o kviro m prikazan je na 51.1.14-, Sastoji se odniza paralelnih ploca, koje su ucvrscene u okvir, u kojem su izmedu ploca zbogsmanjenja gubitaka pro st.rujavanja ugradene t.lacne plocice. Brtveni provrt.i u plocicamacme kanale, u kojima nosilac topline moze protjecati kako popreko plocice , tako i uprostoru tzmed u njih. Zbog izjed nacavania brzina tokova, odvodenja topline izadovoljenja zahtjeva u pogledu ternperaturnog rezima mog uce je organiziratiparale lne, serijske i mjeSovite tokove. Ploctce su jako tanke i da bi iz drzale normalniradni t.lak , trebaju imati jedna s drugorn puno kontaktnih tocak a. Za to se najcescekoristi valoviti lim u obliku jele. Dva se takova lirna sa suprotno orijentiranim valovtrnaugraduju po obje strane ploce , Tocke oslanjanja dobivaju se na mjestima presjecanjavalova. Visek ratno suzavan]e, sirenje i promjena srnje ra tokova dovodi do intenzivneturbulencije, i zbog toga do intertz ivno g prijelaza topline. velikog pada tlaka i dodirnihnaprezanja te smanjenja naslaga. Ponekad se takoder koriste valoviti limovi kojiosiguravaju kontakt izmedu ptoca dui vrha vala.

)Z

=

SI.1.14, Plocesti izmje njivec t.opline:]- pomicno kucist:e: 2- nosivekonzola: 3- paket ploce: 4-nepomicno k ucist:e

Ti su iz.mjenjivaci topline relat.ivno kompaktni i od likuju se malom masompovrslne 'la iz.mjenu topline. te se zbog toga stro ko koriste u brodogradnji. naftnojindustriji. svagd]e gdje postoje og ramcenja na masu i d irnenztje. Ptoce se moguizrad iti u pravt!u od bilo kojeg metala (ta ko se ploce od niskolegiranih cetika gotovonikada ne primjenjuju. posto u tom slucaju plocasli izmjenjivaci top line nisukonkurentni cijevnimal . Radni t lakovi i temperature su ogr-anicent na niske vrijednostizbog materijala brtvi i osobitosti konstrukcije.

Plocastt izrnjenjivaci topline obicno se koriste za prijenos topline iz rnedu dvaturbulentna toka fluida. Cak je i vi skoz ne kaplievine moguce transportiratiturbulentnim rezimom kroz valovtte kanale uz niske Reynoldsove brojeve. Primjenaplocastth izmjenjivaca tophne koristi se kod kondematora za pare male gust.oce f npr.para amonijaka) ili kao isparivaci koji proizvode paru nis kih parametara, kao npr. koddestilacije .. Siroko se koriste 1l prehrarnbeno] industriji. zbog toga st.o se lakorastavljaju prtlikorn ciscenja i st.eri liz.aci]e.

Nekoliko raz lic it.ih varijanti spiralnih ploca st.ib iz.mjenjtvaca topline je prikazanona sl.l .15. Svaki se od tih izmjenjivaca topline sastoji od dvije paralelne ploce savije nepo sablont u obliku spirale. Zbog oblikovanja kanala provodi se uzastopno zavarivanjesusjednih bridova. Da se ploce ne bi medusobno dod irtvale , jedna od njih ima izdanke.Otvorene strane kanala se zbog smanjivanja gubitaka prost.rujavanjem zatvara]u ravnimpoklopcima (plocicarna) pornocu vijcanih spojeva, smjest.enih po vanjskom promjeru.

SI.1.1 S. Tipovi spirafnih iz tnieniivecs topline

Slrujanje nosilaca topline po spiralno zavijeuim kanalima uvjetuje pojavusekundarnih strujanja, sto dovodi do povecanja koeficijenta prijelaza topline, osobitokod laminarnog rezrma. te smanjenja naslaga. Varijanta konstrukcije u obliku kolone sjednim nizo m kanala, otvorenima za paru , pogodna je za kondenzaci]u. posebice ako jeodvod .kondenzata reahzrran bez zahvacanja i parne faze. Odvodenje kondenzata mozese Izvesti po otvorenim zljebovima. ugradenirna na st.iienku kolone, s naknadnorndrenazom ili odvodenjem u supljmu za napajan]e,

Ptocastt izmjenjivac topline s kucistem ili Rarncnov izmjenjivac topline sastoji seod skupa parale lno zavarenih tankih kanala, smjc st.enih u kuctstu , sl.l .16. Kanali suna kraju zavareni u plosnate kasete, koje se mogtr premjest.ati neovisno od kucist.azahvaljujuci koriStenju brtvila na donjem kraju. Nosioci topline unut.ar kucrsta strujeizmed u njih i unutar njih. Zbog kompenzacije razlike tlaka kazete se ucvr scuiu naracun dobrog dotjerivanja uzduznih utora, koji su urezani u svakorn paketu, iod govarajucih izdanaka. ani se mogu zavarttt zajedno uzduznim savorn ili u nizutocaka Komplet paketa moze se lako izvad iti iz kucista zbog pregleda i ciscenjaunutarnjih povrsma.

SI.l.16. Remenovizmieniivsctopline

Izmjenjiveci top line s orebrenim cijevime ili zrskom hfadeni izmjenjiveci topline.~ajcesce se odvodenje topline provodi direktno u atmosferu, no 105a terrnohid rau lickasvojstva zra ka zahtjevaju ugradnju za tu namjcnu specijalne konstrukcije izmjenjivacatopline. Zbog male gustoce kroz izmieruivac topline potrcbno je transportirati velikekolicine zraka. No najjednostavnije ust rojstvo za transport zraka, aksijalni ventilator,ost.varuje jako mali prirast tlaka (do 250 Pal, sto dovo d i do male brzinc strujanjazraka (do 10 mzs) i kratkog trakta za prolaz zraka.

Mala brz ina uz nisku gustocu dovodi sa strane zraka do niske vrijednostikoeficlje nta prijelaza topline (SO do 100 W/m2Kl.

Kako je kocficijcnt prijelaza topline za nosioca topline unutar cijevi obil':no 10do 200 puta veci , svrsishodno jc koristiti povrsinc za izmjenu topline s visokirnomjerom povrs ine , koja je II dodiru sa zrakom, spram povr stne , koja je II dodiru sdrugim nosiocem top line. Cijevi s vi sokim rebrima, sl. t .17, zadovoljavaju timzahtjevirna (vanjs ka je oovrsrna 15 do 20 puta veca nego unutarnja povrsma cijevi) .Rebra, obicno od aluminija, rnogu se jed nostavno upresati u plitke kanale na vanjskojpovr sini cijevi , izradenoj od bilo kojeg materijala oLpornog na koroziju. Kod toga seisto tako zbog korozije pogorsava spoj rebra s cijevi uz moguce bitno smanjenjeprijelaza topline. Sigurnija su rebra s z.avrsrum dot.iertvanjern , ako se pri tome

osigurava bo lji ~.~.n~~_"IC_llibolja ;::~~t;. O;ij::.e~o:;:~:i::::~i:: za zrakomIQ~J hledene izmieniivece topline

Kod ravnih rebara , koja se izrad uju od debelih aluminijskih cije vi mehanicko rnobradom, ne postoji problem koroz ije . Unut.ar orebre ne cijevi mo f e se ugrad itiunutarnja cijev od bilo kojeg potrebnog za nosioca top line materijala . te se pr-i tomemora osigurali cvrsto dosjedanje "blaztntce u cijevi. 7a sve tipove orebrenih cijevipostoje granicne temperature, povrh kojih se narusava kontakt izmedu nosive cijevi irebra ili se izmedu cijevi i blazinice javlja toplinski kontaktni otpor. Za uzima njepromjene pada temperature izmedu rebra i okoline zbog toplinske vod ljivo st.i rebrakoristi se koeficijent efikasnosti rebra.

Ttpicnu konstrukciju zrakom hladenih izrnjenjivaca topline predstavlja veliki (3do 12 redova) paket orebrenih cuevr, kroz koje se t.ransportira zrak ventilatorom snisk im brojem okretaja vrattla. Tok zraka moze se upuhivati u paket (sI.1.18.a) iliisisavati iz njega (s l.I .18.b).

J

b)a}----~--~~~--1Sl.l.18. Zrakom hled eni iztn jenjiveci topline s

upuhavanjem (a) ili isisavanjem tb) zraka:1- ventilator s reduk iorom ; 2- tehnoloskekap/jevina: 3- cijevni snop: 4- ventilator sremenskim prijenosom

Prednost upuhivanja zra ka sastoji se u tome, da se ventilator i pogon nalaze uhlad nom zraku, sto poboljsava efikasnost ventilalora (to snizuje njegove t ro skove) ,pojednostavljuje ucvrscenje ventilatora i pogona i olaksava opsluztva n}e. Isto tako jetok zraka kroz eijevni snop jako nehomogen, i mala brzina t.lacenog zraka kodprirodne konvekcije moze biti uzrok recirkulaeije vruceg zraka i smanjenja razliketemperatura. !sisavanje zraka osigurava visoke brz ine i ncsto smanjuje utjeeaj prirod nekonve kcije , tako da je vjerojatnost za pojavu recirkulacije veoma mala. Zbo g zast.it.epaketa cijevi od mehaniCkih ost.ecen]a i padalina primjenjuju se zaluzine.

Ploce st.o- rebrasti ili tnet.ricni iz mjenjiveci topline. Mat.ricni iliplocasto- rebrasti izmjenjivaci topline imaju najkompaktniji oblik povr sine za izmjenutopline u usporedbi s ostalim izmjenjivaCima topline kod kojih su nosioei toplinerazdvojeni stijenkom. Takovi se izmjenjtvaci topline (sl.1.19) sastoje od metalnihlimova , koji su odvojeni jedan od d ru goga naizmjence valovitim limovima ipregradama. Ulaz i izlaz nosilaca topline osigurava se kroz pr+kljucke s pregradom, dabi se izbje glo upadanje jednog od nos ilaca topline u kanale, koji su predvideni zadrugi. Od govarajuci razmjest.a] prik ljucaka omogucava transport kroz jedan izmle njivactopline vise od dva nosioea toplme.

Kapljevina

Sekcija ptocesto- rebrast.ogizmjeniivace top/ineKapijeviJlll

Valovi ti lirnovi , pregrad e i bocna uevrsccna se rucno sastave , sigurno stegnupomocu ust rojstva za pritezanje i zatim se u kadi s otopljenom soli ili u vakuum pecileme tvrdim lemom. Tako se dobiva kruta konstrukcija s grarucno velikorn povr si nornza izmjenu topline s obzirom na jedinicu volumena. Isto tako se ti elementiizmjenjivaca topline iz rad uju og ranicenih dimenzija, oblcno od aluminija, te ih nijepot.rcbno mehanicki eistiti. Najce scc se primjenjuju u kriogenici, kod ukaplnvanjaprirodnog plina, Ciscenja vodika, dobivanja helija i drugih ukapljenih plinova.

l zmje njiveci topline s pomoc nirn mehanickim sredst.vime. Zbog post.izanjaprihvat ljivog intenziteta prijelaza topline u nekim se slucajevima javlja potreba zameharnck+m djelovanjem na povrs inu za izmjenu topline ili u njenoj blizini, koje semoze ostvariti pornocu dva raz licita , mada i medusobno povezanih ustrojstava: mjesaci ustrojst.vo koje osigurava klizanje po povr sin i (s l.l .20 i sI. 1.21).

2

5

6

7

Sl.I.20. Mjdac s miieselicom u obliku pot.kove:1- vetijske supljine s "hled nim" Ftuid om :2- elektromotor, 3- red uk tor: 4- brt.vilo;s-vrsuto. 6- k ucist.e: 7- miiesstico IIoblik u pot.kove

S1.1.21. Poprecni presjek izmjenjivsce toplinesa skreperom :f - opru ge, 2- vanjska supljin s "bled nim"Fluidom : 3- skreper . 4- vrst.ilo

Kod mjesaca se mehanicko dje lovanje svod i na mijes an]e kapljevine u spremnikurotacijom lopatica koje su srnjest.ene u sred ist u spremnika. U istu se svrhu koristi imjesae 1I obliku sidra, turbine i spiralnog eeslja. Iz mje njivacka povrsina moze bitiunutar arnja povrsma spremnika, dok d ru gi nosilac topline moze oplakivati vanjskicilindar ili cirkulirati kroz cijevi privare ne s vanjske strane spremnika. Ponekad kaolzmjenjivacka povrsina mogu pos luzttt cijevne zmije, niz ili snop cijevi i ravne ploce ,koje tine kanale , smje ste ne po opsegu spremnika. Ponekad za tu svrhu sluzt i samamjesahca. Drugi nosilac topline u tom sluca]u st.ruji kroz kanale u mjesacu, sto rzazivaodredene pot.eskoce s brtvljenjem ulaznih i izlaznih prik liucaka rot.irajuce g mje saca,

Mje saci se obicno kortst.e za provod enje kemijskih reakcija raz licit.ih vrst.a.ukljucujuci polimerizaciju. Osnovna osobit.ost projektiranja sprem nika i mjesaca sesastoji u pot.rebi osiguranja mogucno st.i upravljanja kinetikom reakcije, a ne prtje lazornt.opline. No ist.ovreme no je obicno potrebno oclvoditi ili dovo d it.i toplinu (ponekad ijedno i d ru go u raz liciti m momentima process) uz zadani intenzitet. Veliki brojkonst.-ukcija i prakt.icnih slucajeva zadaje odredene poteskoce kod raz rad e uruverz alnthproracu nskjh relacija i obicno zahtjevaju provod enie ispit.ivanja na samom postrojenju.

Kod ustrojstva, koje ostgurava klizanje po povrsint, postoje lopatice koje susrnjestene [ako blizo izmjenjivackoj povr sim (unutarnjoj povrsini cilind ricno g spremnikaili cijevil . Lopat.ice inte nzivno premjestaju slojeve kapljevine koji su neposred no dostijenke, sto osigurava lokalno povecan]e intenziteta prijelaza topline. Lopatice mogubiti f ik sirane , prit.is nute k povr si ru cilindra pornocu opruge ili prtcvrsce ne pornocuzgloba. U posljednjem se sluca]u pritiscll k stijenci dje lovanje m cent.rif ugalne sile.

IzmjenjivaCi topline toga lipa korisle se samo u t.esktrn uvjelima za prijelaztopline, kao sto je npr. zagrijavanje ili hJadenje jako vis koz nih tvarI, isparavanje ikoncentracija prehrambenih proizvoda, frakcijska kristalizacija (ko d koje je osnovnazadeca lopatica sprecavanje nastajanja na stijenci debelog sloja kristalal. Takovi aparatima veliku masu i volumen, visoku cijenu, zahtjeva cesto opsluzivanje i tro st mnogoenergije. U pravilu postoji obrcno jedinstveni put rje senja zadatka prijelaza topline zauvjete u kojima se takovt aparat koristi.

!zmjenjivaCi topline drugih tipove. U praksi se koristi jos puno specijalnihkonstrukcija izmjenjivaca topline koji nisu ovdje navcdeni . Zasigurno da ieprojcktiranje t.akovih izmje njtvaca topline na niZo] razini.

1.1.10, Prlndpi konstrulranja

Krit.eriji uspjesnog konstruiranja izmjenjivaca toptine. Analiza proccsakonst ru iranja izmjeujivaca topline treba se zasnivati na jasnom poimanju kriterija pokojima ce se provodit rad iz.mjenjivaca topline. U princtpu , nije ih te sko formulirati,no za neke pojed inacne slucajeve zadat.ak se moze pokazat.i s lozenijim. Opcenit.iprincipi izbora kriterija razmotreni su u daljnjem tck stu redoslijedom njihove vaznost i.

Prije svega treba ocijeniti, da postoje dvije velike grupe izmjenjivaca topline, isvaka grupa zahtjeva razliCiti pristup ka konst.ruiranju i iz rad i. Nesumljivo je, da sevelik dio postojeCih izmjenjlvackih povr si na ponavlja u mnogim aparatima, kao npr.automobilski hladnjaci, klima uredaji, kot.lovi, hladnjaci ulja za pod mazivanie. itd. Zatakove se izmjenjivace topline industrijski proizvodi t.isuce pa cak i milone ident.icnihelemenata. U osnovnorn se tz ekonomskih zahtjeva proces iz rade takove grupeizmjenjivaca topline svod i na izradu odredenog broja aparata razliCite konstrukcije,temeljito ispit ivanje u podrucju oce kivanih radnih parametara, zavrsno m odabirunajpogodnije konstrukcije i na kraju serijskoj proiz vodnji izmjenjivaca topline, najblizegizabranom prototipu.

U nizu industrija, npr. kemijskoj i naftnoj, koriste se izmjenjivaci top line kojise projektiraju i izraduju u malim serijama i obicno se koriste u seriji ili paralelnojkombinaciji. Njihova serijska proizvod nja je ot.ezana zbog nepostojanja mogucnostiopseznog ispit.ivanja van industrijskog procesa. Cesto su ti Izmjenjivaci toplinepredvideni za nosioce topline ciji sast.av, svojstva i sklonost stvara nju naslaga napovrstrn nisu dovoljno poznati a brzi ne tokova (a samim time i uvjeti prijelazatophne) mogu se mijenjati svako dnevno. Ocig ledno da takova situacija zahtjeva st.rozezahtjeve na projektiranje, ako se zeli imati sanse na uspjeh.

Prvi kriterij zadovoljavajuce g rad a izmje niivaca topline je zadovoljenje zahtjevaza postizanje rad nih paramet.ara. t.razena snaga aparata treba se osigurati za vrijemerada od jednog do drugog remonta uz zad ana o graruce nja pada t.laka i stvaranjenaslaga na povr smama. Isto tako potrebno je naglas itt , da uvije k kod projektiranjapost.oji clement neodredenosti, poste su toplms ka i f iztk alna svojs tva rijetko poznat.as visokim st.upnjern tocnostt, proracunske rneto de se temelje na koristenju kriterijskihjednad zbi , Cija se tocno st nalaz: u gra nicama osipanja eksperimentalnih po dataka, samizmje njivac topline iz rad uje se uz odredene pret.post.avke , stvarrn uvjeti ra daIzmjenjivaca topline tokom vremena se mijenjaju i naslage su u pravi lu nesto vece negosto je u pocet.ku pretpostavljeno (takoder se mijenjaju tokom vremcna) . Zbog toga sezahtjevi na radne karakteristike u praksi mogu realizizirati uz tek odredenu tocnost..S te tocke gle d ist.a za kvantitativnu ocjenu postoji jako malo kako st.at.ist ick ihpodat.aka 0 radu pojedinih aparata, tako i po data ka 0 utjecaju efikasnosti njihovograd a na d ruge proizvo d ne proce se. Isto tako, konst.ru kt.or pornocu pro racuna ,uzirnajuci u obz ir utjecaj ef'ikasnos ti rada izmje njivaca topline na druge procese , trebagarant.irati s od redenom vjerojat.noscu sigurana rad aparata.

Drugi se kriterij sastoji u tome. da izmjenjivac topline treba udovoljiti uvjetima,zajed nicktma za Citavo postrojenje. Ovdje ulazc prije svega mehanicka naprezanja,vezana ne samo za normalni rad , vec i uz optrecenja tokom montaze, upustanja,zaustavljanja. te uz od redene operacije uvje tovane narusavanje m procesa proizvod nje imoguCim havarijskim situacijama. Postoje vanjska mehanicka naprezanja, uvjetovanaprisustvom cijevi u iz mjenjivacu topline. i to kako u stacionarnom rad u, tako i uprijelaznim rezrmrrna kod prornje ne temperature nosilaca topline. U iz mjenjivacutopline , na kraju, ne smije dolaziti do koroz ije zbog djelovanja nosilaca topline iokolne sredine. To se moze izbjeci u osnovnom izborom materijala. a takod ri konstrukcije. Naslage na povrstrn izmje ne topline trebaju bili po mogucnos timin ima lne , no mo gucno stt konst.ruktora SI1 11 tom slucaju obicno og ranicene primjenomvisth brzina dopu st.enih s obz irorn na pad tlaka i og ranice nima s obz iro rn na eroziju ivibracije , a takoder i time da je naslagama onecisce na povrs ina dostupna za ciscenje.

Treci kriterij predstavlja zahtjev za mo guci pe r iod icki remont izmjenjivacat.opline. koji obicno ukljucujc Ciscenje povrs ma za izmjenu t.opline , zarnje nu cijevi,brtvila i drugih elemenata konstrukcije. obicno ostecenih koroz ijom , erozijom.vibracijama ili staro scu. Taj zahtjev moze takoder biti uzrok ogranicenja na raz mjest.ajiz mjenjivaca topline i osiguranja slobodnog prostora oko njega.

eetvrti kriterij slijedi neposredno iz drugog i t.receg i sastoji se u tome. dakonstruktor treba uvazavati prednosti vise sekcijske konstrukcije s ventilima zarazdvajanje. To omo gucava uzastopni remont svake sekcije bez osobitog ustrba na radcijelog aparata. Takova je konstrukcija posebno pogodna za kondenzatore i hladnjakekada jedna ili vise sekcija mogu o st.att u zimsko vrijeme bez nosilaca topline ili sekorist.e za regenerativno predgrijavanje jako hlad nog no sioca topline.

Peti se krilerij sastoji u tome , da iz mje njivac topline ima minimalno mo gucucije nu , jasno uz zadovoljenje prethodno navedenih kriterija. Kod zadovoljavanja uprvom redu cijene kost.an]a, potrebno je uvijek imati u vi d u, da poveca n]eeksploatacijskih tros kova zbog srnanjenja dimenzija i srnzenja sigurnosti izrnje njivackogaparat dovodi do toga. da tako dobive na usteda bude "potro sena" za nekoliko sati ilidana.

Na kraju , mogu postojati og ranicenja na prornjer iz rnjenuvaca topline, dufinu,masu i (ili) na izbor cijevi zbog zahtjeva s obzirom na smjeStaj. transport, mogucnostops luzivanja. sk.lad istenja rezervnih crjevi i brtvljenje.

36

Ako za konkretni s luca] nije rnoguce pos tici zadanu efikasnost, nikada ne trebarazradivati iz mje njivac topline u nadi, da ce se mooi koristiti u drugim uvjet.irna. Velikije dio iz mje njivaca topline pred oz nace n za post.roje nja. koja imaju radni vije k, jednakil! duzi, nego sam iz mjenjivac topline. Pretpostavka, da se iz mjenjivac topline s Iostmkarak ter+st ika ma mozc kori st.it.i za kakovi drugi tehnologtckt proces, dovodi ubrzo dotoga, da ni rad izmjenjivaca toplini ni procesa nisu dovoljno efikasni. Puno je boljerad it.i uz pretpostavku, da najvecu sigurnost za uspjeh kako kod projektiranjarzmjenjivaca topline, tako i razrade t.ehno los ko g procesa, u kojem on rad i, dajeoptimalno rje senje pojedinog zadatka.

P roracun se moze provest.i ili rue

Aka rezu Itati kontrolnog prorizmjenjivaCa topline osigurava prihvat.lifstra ne i one su ispod granii:no dopusteirijese nje zadatka. Cesta se desava dazahtjevima. U tom slucaju izbor trebaredu s abzirom na cijenu kostanja. Takrdrug; kriteriji kao npr. sigurnosteksploatacijel.

Izbor, prorecun i kotistrukcije izmjenjivece topline. I az ivi "Izbor", "proracun" i"konstrukcija" iz mjenjivaca topline imaju raz liciti sad rz aj. Kada se kariste jedanumjesto drugoga t.i se naz ivi od nose na razliCit.e aspekte problema razrad e iz mjenjivacatopline ; njegovog riesenia.

Isto tako rnoze se desiti, da izrnproracuna , ne zadovoljava u potpunosanahz irati druga varijanta konstrukcijekonstrukcija mora izmijeniti u smislu, (duzma aparata. Isto tako, ako je paizmijeniti u cilju povecania pada tlakadimenzija a time i cijene ko stanja.

"Izbor" oznacava koristenje vec poslojeCih izmje njivaca top line nepos red no ili uzmale iz mje ne. U katalozima raz licit.ih protzvo d aca u pravilu su navedeni standard nielementi, koji se sto je osobito bitno, mogu primjenjivat.i 11 razliCitim plast.evima. Utim s lucajevnna posloje jako male mogucnosti za izbor, iako jedna te ista konstrukcijamoze biti izradena iz nis koug ljicnih ili nehrd ajucih celika, a lakoder se mogu koristiticijevi , cijevne stijene i cijevni prik ljucci od nehrd ajucih cehka s plastein od ugljicnogcelika. Dovoljan broj verificiranih podataka obicno ornog ucava iz bo r iz rnjenjivacatopline odgovarajuCih dimcnzija sa zadovotjavajucom povrsmom i padom tlaka. Kodtoga cijena ko st.anja nije velika, po st.o se za izradu primjenjuju standardni tehno lo skiprocesi te je isporuka po st.rojenja dosta brza. lsto tako kod kortst.enja velikih aparata(s povrsmarna preko 10 do 20 m2) sa specijalnim zahljevima primjena in divid ualnihkonstrukcija, razradenih za konkretni s luca] , je ekonomski svrsishod nija, i nazivi"proracun' i "projekt.iranje" su sinonimi za naziv "izbor".

Postupak prijelaza s jedne konstzadovoljava zahtjeve, moze se nazvatzadatkom konstruiranja aparata je prprincipijelna osobitost poslupka projelsavrse no raz licita oblika u ovisnosti 'racunaiu. U prvom se sluca]u optimakonstruktor odreduje konkretne nedosod veli kog broja mo gucih izmjena ta'parametri ostaju nepromijenjeni. U torru izmjenjivaCu topline temelji brz og pre

Nazrv "kontrolni proracun" oz nacava takovu racunsku provjeru kojorn seodreduju u potpunosti toplinske i hid rau licke kara k teri st.tke konstruiranog iz mjerutvacatopline.

Utvrdivanje zada

St.rukturna sherna pro racu na pr+k azana je na sl.l .22. Polazni podaci za proracunsu brz.ine i temperature na ulazu, toplinska i fizikalna svojstva nosilaca topline(ukljucujuCi podatke 0 faznom prtje lazu, ako do njega dolazil, a kao rezultatproracuna- parametri izmje njivaca topline. Kod kontrolnog proracuna racunaju setemperature na izlazu i toplinska snaga (a ko je d uzina f rksnal , a kod konstrukcijskog- trazena duzma za zadano zagrijavanje nosioca topline. Moze se takoder u obaslucaja izracunati pad lIaka na toploj i hladnoj strani.

lzbor pocet.no g tipa aparata

Protoci

ature Proracun geometrijskih --idimenzija

je P roracun koeficijenata l'prijelaza top line

.a i fizikalnanosilaca topline_ Proracu n gubitaka ,... 21.b) i jedn.Lt > 22.b) mogu se primjeniti za bilo koji izmjenjivactopline, pa isto tako i za protu strujni. Stlcnorn analizo m kakova je prove dena uporethodnom poglavlju, maze se pokazati da i jed n.Ll '- 29) i [cd n.I l > 30) t.akodervrijede, s tim da se temperaturnc razlikc na kraievirna protustrujnog izmjennvacatrebaju definirati kao:

fj t; = ft.,- Th.'= ~)J - ~,;fj r; = T:.2 - 7;..2= ft.;- Tltu'

11- 32)

Treba naglasiti, da za iste ulazne i izlazne temperature, vrijednost srednjelogaritamske temperaturne razlike je veca za protustrujni izmjenjivac nego kod

is tost rujnog . Iz tih je razloga potrebna povrsma za isti toplinski t.ok q i isti ukupnikoeficijent prijelaza topline [J, manja kod protustrujnog izmienjivaca topline nego kodistostrujnog. kao sto jedino kod protustrujnog iz rnjenjivaca vrijednost Th.; mozenadvisit.i 7(..

--{>Povr.lna. za.

'zm}enu topnne

CIChlll C!Chlllkondenzactja 1.paravan!et:2-t~

x_(a)

2(b)

2

Ch~C!

t~T~

I I1 x+- 2

(c)

Sl.l.2B. Specijslni uvjet.i rada izmjenjivece toplinea) C;> > Ch (kondenzecijs pare):b) C;< < C, tispersvsnje keplievinet .c) protus trujni iz mjenjivec topline s jed nekim

toplinskim kapacitetima rc;= Ch)

1.2.6. Izmjenjival:i topHne B popre(':n1msttujanjem (unakrsutm) i vliie prolaza

Post,o se uvjeti strujanja kod izmjenjivaca topline s poprecrurn strujanjem i viSeprolaza kompliciraju, to se jed n.Cl > 21), [ed n.Lt > 22), jedn.f t > 29) i [edn.Ll > 30)mogu koristiti ako se ucme odredene modifikacije srednje logaritamske temperaturnerazlike. Potrebni se oblik t; T _ dobiva primjenom korekcijskog faktora vrijednosti t; T'mkoji je dobiven za sluca] protustrujnog izmjennvaca topline. Stoga je premajed n. (1 - 32), t; T.,= '0." - Th.; i t; T,= Tl.;- Th.;

Algebarski izrazi za korekcijski faktor F razvijeni su za raz Iicite tipoveizmjcrnvaca topline sa snopovima cijevi u ptastu (tzv. "shell- and- tube") i spoprecnirn konfiguracijama strujanja, te su oblcno predstavljeni graf icki. Odredenirezultati su prikazani na sI. I .29 do sI. 1.32 za jed nost.avnije konfiguracije izmjenjivacatopline. Oznake (T,tl predstavljaju temperature fluida. s tim da t uvijek oznacavafluid unutar cijevi. Uz takovo oznacava nje nije vazno da Ii "topli" ili "hlad ni" f luidstruji kroz cijevi ili o ko cijevi. Znacaina prednost sl.l .29 do sl.1 .32 je ta, da ako jeprornjena temperatura jednog od fluida zanemariva, to ili Pili R su jednaki nuli i F je1. Zbog toga je proces u izrnjenjivacu topline neovisan 0 specif'icno] konfiguraciji.Takav se sluca] pojavljuje ako jedan od fluida prolazi promjenu faza.