Schimbatoare de caldura cu placi
Universitatea de tiine Agricole a Banatului Timioara
Schimbatoare de caldura cu placi
Universitatea de tiine Agricole a Banatului TimioaraSchimbatoare
de caldura cu placiCoordonator: Prof.Dr.Ing. Teodor Ioan
TRASCAStudent: Moisa Ana Maria
1. Introducere
Unschimbtor de cldureste un echipament detransfer termic, care
transmitecldurade la un mediu la altul. Transmiterea cldurii ntre
cele dou medii se poate face printr-un perete solid, care le separ,
sau se poate face prin amestecarea mediilor. Dac mediile sunt n
contact cu peretele despritor pe fee diferite, cldura trecnd prin
perete, schimbtorul este de tiprecuperativ, iar dac mediile sunt n
contact succesiv cu aceeai fa a peretelui, cldura acumulndu-se n
perete i fiind cedat celuilalt mediu ulterior, schimbtorul este de
tipregenerativ. Transferul de cldur are loc ntotdeauna,
conformprincipiului al doilea al termodinamicii, de la mediul mai
cald la cel mai rece.
Schimbtoarele de cldur se folosesc n procese denclzire,topire,
sublimare, fierbere,vaporizare,condensare,rcireisolidificare.Ele i
gsesc o larg aplicabilitate n instalaiile de
nclzire,refrigerare,climatizare,distilare (nindustria chimici
petrochimic), ncentralele termice,termoficarei ca anexe alemainilor
termice. Un exemplu foarte cunoscut esteradiatorulautovehiculelor,
unde fluidul cald (apade rcire amotorului) transfer o parte din
cldura evacuat din motor unui fluid rece (aeruldinmediul
ambiant).
2. Clasificari
Clasificarea schimbtoarelor de cldur se poate face din mai multe
puncte de vedere, dintre care trei sunt mai importante:1.
clasificarea dup procesul principal de transfer de cldur;1.
clasificarea dup modul de contactare a fluidelor;1. clasificare dup
tipul constructiv al aparatului1. I.Dup procesul principal de
transfer de cldur, se deosebesc numeroase clase de aparate, ca de
exemplu: prenclzitoare, rcitoare, condensatoare,
rcitoare-condensatoare, refierbtoare, vaporizatoare,
cristalizatoare, regeneratoare (schimbtoare de cldur propriu-zise)
etcII.Dup modul de contactare a fluidelor, se deosebesc trei clase
de aparate: schimbtoare de cldur de suprafa, schimbtoare de cldur
prin contact direct (de amestec) i schimbtoare de cldur cu fluid
intermediar staionar
Schimbtoarele de cldur de suprafa se caracterizeaz prin faptul c
cele dou fluide care schimb cldur ntre ele sunt separate prin perei
metalici, n majoritatea cazurilor cilindrici (tuburi). Aceste
schimbtoare de cldur prin contact direct nu conin perei despritori
i cum fluidele vin n contact nemijlocit,transferul de cldur este
nsoit i de un proces de transfer de mas.
Schimbtoarele de cdur cu fluid intermediar staionar sunt de
concepie mai recent, se utilizeaz n cazuri practice caracteristice
i prezint unele avantaje specifice. Ele se caracterizeaz prin
faptul c transferul de cldur de la fluidul cald ctre fluidul rece,
care sunt n curgere continu prin schimbtor, este mijlocit de un
fluid intermediar staionat n aparat.
III. Dup tipul constructiv al aparatului se deosebesc numeroase
clase de schimbtoare, principalele tipuri fiind prezentate n cele
ce urmeaz, cu excepia schimbtoarelor de cldur cu fascicul tubular n
manta care, fiind cele mai utilizate, se trateaz pe larg ntr-un
paragraf special.
Schimbtoarele tub n tub (fig.1.) constau n dou tuburi
concentrice, un fluid circulnd prin tubul interior, iar cellalt
fluid prin spaiul inelar (inertubular).
Aceste schimbtoare prezint avantajul de a lucra n contracurent,
dar sunt voluminoase i grele, n raport cu aria de
transfer.Rcitoarele i condensatoarele cu serpentin scufundat
(fig.2.) constau ntr-o cad prevzut cu deversor, prin care circul
apa de rcire i n care se afl scufundat serpentina prin care curge
fluil cald. Rcitoarele i condensatoarele cu serpentin stropit cu ap
constau n cteva serpentine plasate vertical, peste care curge apa
de rcire dispersat n picturi
Schimbtoarele de cldur cu plci lucreaz cu presiuni relativ mici
pentru ambele fluide i au nceput s fie utilizate i n industria
petrochimic, ele fiind uoare i cu gabarit mic n raport cu aria de
transfer. Constau n plac profilate, din metal, suprapuse i presate
pentru etanare. La extremitile plcilor sunt delimitate canalele de
legtur pentru fluide, acestea circulnd prin spaiile libere dintre
plci (fig.3.).Rcitoarele i condensatoarele cu aer constau ntr-un
fascicul de tuburi prevzute la exterior cu aripioare transversale
circulare, peste care circul mpins de ventilatoare aerul
atmosferic.
Rcitoarele i condensatoarele prin contact direct constau n
coloane de contractare n contracurent, cu sau fr umplutur, pentru
dou fluide nemiscibile (gaz-lichid sau lichid-lichid).
Schimbtoarele din fig.5 i 6 funcioneaz cu dou pasuri n tuburi (
iniial curgere de la stnga la dreapta i apoi de la dreapta spre
stnga; n raport cu cazul unui singur pas, seciunea de curgere s-a
redus la jumtate, iar viteza s-a dublat), iar din fig.7. cu patru
pasuri n tuburi.
Pentru majorarea vitezei fluidului din manta, pot fi utilizate
icane longitudinale. n fig.7. prin prezena unei astfel de icane, se
realizeaz dou pasuri n manta. Se constat la acest schimbtor, cu 2
pasuri n manta i 4 pasuri n tuburi, c global fluidele circul n sens
invers ( unul de jos n sus i cellalt de sus n jos)
n majoritatea cazurilor practice, n manta se utilizeaz icane
transversale segment de cerc (fig.5 i 6) , care duc n general la o
curgere transversal pe tuburi ( seciunea de curgere este variabil;
apar turbulene ce mbuntesc transferul de cldur; prin fixarea
distanei dintre icane, se realizeaz viteza medie dorit pentru
fluidul din manta). n fig.8 sunt schiate i alte tipuri de icane
transvesale, foarte rar utilizate ( icane inel i disc i icane benzi
laterale- band central).
Obinuit icanele segment de cerc las ferestre orizontale,
alternativ sus i jos. La condensatoare i la schimbtoarele cu dou
pasuri n manta se utilizeaz ferestre verticale.icanele transversale
sunt solidarizate cu o plac tubular, prin intermediul unro tije i
distaniere (fig.5.). La intrarea fluidului n manta este prevzut o
plac reflectoare (fig.5.), care reduce ocurile asupra
tuburilor.
n unele cazuri se utilizeaz n manta de curgere scindat (fig.9.a.
n special la vaporizatoare) sau o curgere divizat (fig.9b.);
printre dou icane alturate circul jumtate din debitul de
fluid).
Pentru a nu se solicita mandrinarea i pentru a se evita apariia
neetaneitilor, trebuie s se asigure o dilatare ( contractare) liber
a tuburilor n raport cu mantaua schimbtorului. Aceast problem este
rezolvat n special prin utilizarea schimbtoarelor cu cap flotant
(mobil) sau a schimbtoarelor cu tuburi U.
n figura 5 este prezentat un schimbtor de cldur cu cap flotant.
Placa tubular mic are un diametru mai redus dect diametru interior
al mantalei i dup demontarea capului mic ( acesta este fixat prin
intermediul unui inel), fascicului poate fi extras cu ambele plci
tubulare. n unee cazuri, pentru a alunecare mai uoar, icanele
inferioare se sprijin pe nite role. Obinuit, schimbtoarele cu cap
mobil au un numr par de pasuri de tuburi dac este necesar s se
lucreze cu un singur pas de tuburi, capacul mic este prevzut cu un
racord axial, care iese prin capacul mare printr-o presetup.
n fig.6 este prezentat un schimbtor de cldur cu tuburi U. aceste
schimbtoare pot avea n tuburi numai un numr par de pasuri.
Mai puin utilizate, pentru preluarea dilatrilor inegale, sunt
schimbtoarele cu compresor de dilataie la manta, cele cu o plac
tubular flotant, care asigur etanarea pe un sistem de garnituri i
cele cu evi duble concentrice (fluidul circul ntr-un sens prin
tuburi de diametru mic, care nu constituie o suprafa de transfer de
cldur, i n sens invers prin spaiul intertubular, tuburile de
diametru mare fiind nchise la captul liber; camerele de distribuie
se afl de aceeai constau n dou tuburi concentrice, un fluid
circulandprin tubul interior, iar cellalt fluid prin spaiul inelar
(inertubular).
3. Schimbatoare de cldur cu placi
Sunt folosite nindustria alimentar, de exemplu la nclzirea i
rcirea laptelui beriii vinuluii la prepararea apei calde de consum,
ninstalaii individualei n puncte termice de cartier.Aceste
schimbtoare sunt alctuite dintr-un set de plci individuale montate
ntr-un cadru metalic de susinere i strnse cubuloane. Fiecare
pereche de plci alturate formeaz un canal de curgere, astfel nct n
dou canale adiacente sensul de curgere al celor dou fluide este
ntotdeauna n contracurent. Plcile sunt executate din foi metalice
subiri, din oeluri inoxidabile, i sunt prevzute cu ondulaii
realizate prin presare, att pentru mrirea rigiditii, ct i pentru
mbuntirea transferului termic prin mrirea turbulenei
fluidelor.Etanarea ntre plci mpiedic amestecul agenilor termici i
scurgerea acestora spre exterior i se realizeaz cu garnituri.
Garniturile dincauciuc, rini, butil sau neopren rezist la presiuni
pn la 25bar(suficiente pentru instalaii de nclzire) i temperaturi
de 150C, iar cele deazbestpn la 200C.Acest tip de schimbtoare sunt
compacte, la un volum dat ofer o suprafa de schimb de cldur mare,
suprafaa de schimb de cldur poate fi mrit sau micorat conform
necesitilor, adugnd sau scond plci, au costuri de fabricaie reduse
i sunt uor de curat.Au ns i probleme. Buloanele se pot relaxa, caz
n care apar scurgeri pe lng garnituri, ns scurgerile au loc spre
exterior, nu prin amestecarea fluidelor.Au cderi de presiune
relativ mari, ceea ce mrete costurile de pompare. Dac apare o
avarie, repararea dureaz mult, mai ales dac sunt sute de plcii se
pot colmata relativ uor, nervurile reinnd impuritile.
Exista patru variante tehnologice de realizare a schimbatoarelor
de caldura cu placi:1.cu placi si garniture demontabile 2.cu placi
sudate3.cu placi brazate4.cu placi avind circuite imprimate
3.1.Schimbatoarele cu placi si garnituri demontabile sunt de
tipul prezentat in figura 10. Placile intre care se introduc
garniturile, se monteaza impreuna intre o placa de baza si una
mobila. Placile pot sa fie demontate in vederea curatarii. Fixarea
placilor se realizeaza cu ajutorul unor tiranti. Din punct de
vedere hidraulic se pot realiza curgeri in contracurent sau in
echicurent. Fig. 10 Schimbator de caldura cu placi si garnituri
demontabile
In figura 11 este prezentata schema de curgere a agentilor de
lucru intr-un schimbator de caldura cu placi. Materialele din care
se realizeaza placile depind de natura agentilor de lucru, iar cele
mai utilizate sunt:- oteluri inoxidabile;- aliaje de aluminiu;-
aliaje de titan;- aliaje cupru-nichel
Fig. 11 Schema de curgere in schimbatoarele caldura cu
placi.
Grosimea placilor poate sa varieze intre 0,61,1 mm, sau chiar
mai mult. Pentru garnituri se pot utiliza de asemenea mai multe
materiale in functie de temperaturile de lucru:- nitril (tmax = 110
C );- butil (tmax = 135 C);- etilen-propilen (tmax = 155 C);- Viton
(tmax = 190 C);
Domeniul temperaturilor de lucru pentru aceste aparate poate sa
varieze intre 50+190 C. Presiunile nominale maxime de lucru pot sa
ajunga pana la 1620 bar, iar diferenta maxima dintre presiunile
circuitelor poate sa ajunga pana la 912 bar si in mod exceptional
la 20 bar. 3. 2.Schimbatoarele cu placi sudate au placile asamblate
nedemontabil prin sudare. Din aceasta categorie fac parte:a)
placile dulapurilor de congelare, realizate din profile de aluminiu
sudate, pentru a forma platanele pe care se pastreaza produse si
canalele de curgere pentru agentul frigorific care
vaporizeaza;b)schimbatoarele de caldura realizate din placi
ambutisate si sudate ca in figura 12, pentru a se asigura
rezistenta mecanica si curgerea agentilor, de regula in
contracurent. Presiunile nominale maxime pot sa ajunga pana la 3040
bar, iar domeniul de temperaturi intre care pot sa lucreze este de
200+200 C.
Fig. 12 Schimbatoare de caldura din placi sudate
3.3.Schimbatoarele cu placi brazate sunt realizate cu placi din
otel inoxidabil asamblate prin brazare (lipire) cu ajutorul unui
aliaj pe baza de cupru, in cuptoare sub vid. Ansamblul
schimbatoarelor de caldura de acest tip este prezentat in figura 13
si figura 14. Se pot utiliza ca vaporizatoare sau ca schimbatoare
interne de caldura, dar numai pentru agenti curati, deoarece nu se
pot curata decat prin spalare chimica.
Compactitatea acestor aparate este foarte mare si de aceea acest
tip de schimbatoare de caldura cu placi sunt considerate cele mai
bune din categoria aceasta a schimbatoarelor de caldura.Fig. 13.
Schimbator de caldura din placi brazatecare poate functiona ca
vaporizator sau condensator
Figura 14. Schimbatoare de caldura din placi brazate de diferite
dimensiuni
Schimbtorul de cldur poate fi cu plci de tipul L sau H. Plcile
de tip H au un unghi de dispunere mai mare dect cele de tipul L.
Plcile de tip H sunt mai adecvate pentru anumite temperaturi dect
cele de tip L. Schimbtoarele de cldur cu plci de tip H au o
capacitate mai bun de nclzire, dar i un nivel mai mare de pierderi
de presiune.Setul de plci poate fi i o combinaie a acestor dou
tipuri. Dac una din dou plci este o plac H, iar plcile L sunt
intercalate din dou n dou,combinatia este de tipul M.
Figura15 Tipuri de placi ale schimbatoarelor de caldura cu placi
brazate
Aceste schimbtoarele sunt realizate din plci presate i brazate,
ntre care se realizeaz canalele de circulaie a fluidului. Turbulena
mare i circulaia n contracurent asigur eficiena transferului de
cldur. Scopul schimbtorului de cldur estetransmiterea cldurii de la
circuitul primar la cel secundar prin intermediul unor plci i
mpiedicarea amestecului fluidelor din cele dou circuite. Alegerea
schimbtorului de cldur depinde de sarcina termic, de temperaturile
necesare i de pierderile de presiune permise. Schimbtoarele de
cldur cu 2 treceri, cele mai des utilizate, trebuie alese pentru
prepararea apei calde menajere. Schimbtoarele de cldur cu 2 treceri
vor rci frecvent apa din sistemul de termoficare sub 25 C. Aceast
capacitate poate fi atins prin utilizarea unei mari diferene de
temperatur, unui volum mai redus de ap, precum i cu un schimbtor de
cldur cu o suprafa optim de transfer al caldurii, asa cum se vede
in figura 16.
Figura 16.Schema de functionare a schimbatoarelor de caldura cu
placi brazate si cu 2 treceri
Se recomand montarea schimbtoarelor de cldur cu baza n jos, n
poziie vertical. Astfel se asigur ventilarea maxim i reducerea
mirosurilor neplcute. Se recomand ca toate conductele racordate la
schimbtorul de cldura s fie prevzute cu robinete de nchidere pentru
a facilita operaiunile de ntreinere. Conductele trebuie prevzute cu
suporturi pentru a mpiedica acumularea tensiunilor de rsucire n
racordurile schimbtorului de cldur. Cei ce monteaza asemenea
dispozitive recomand ca schimbtorul de cldur s fie prevazut cu
izolatie Schema de curgere a fluidelor in schimbatoarele de caldura
brazate este prezentata in figura 17
Fig.17 Schema de curgere a fluidelor in schimbatoarele cu placi
brazate
3.4.Schimbatoarele de caldura cu placi avand circuite imprimate
sunt realizate din placi metalice plane, avand gravate pe suprafata
circuite fine (cca. 1 mm), prin metode chimice. Placile sunt
asamblate in blocuri prin incalzire si presare, procedeu denumit si
sudare sub presiune. Canalele sunt legate la doua perechi de
colectoare, pentru a forma doua circuite separate. Din aceste placi
se pot realiza condensatoare si vaporizatoare foarte compacte. In
prezent aceste tipuri de aparate sunt in curs de perfectionare in
special in Australia si Marea Britanie.
3.5.ntreinere
Schimbtoarele de cldur cu plci se ntrein prin una din urmtoare
metode:
- curare n sens invers unul sau amndou fluidele de lucru circul
n sens invers prin plci, pentru perioade scurte - curare la locul
de operare prin pachetul de plci se vehiculeaz ageni de curare;1.
prefiltrarea fluidelor de lucru;1. clorinare pentru prevenirea
creterii acitivitii biologice.
n cazul currii manuale a plcilor, de exemplu n perioadele anuale
de ntreinere reparaii, schimbtorul se deschide, iar suprafeele de
transfer a cldurii (plcile) se pot cura astfel:1. cu ap cald
(posibil i cu agent de curare), prin perierea plcilor cu perii din
fibre sintetice (nu metal);1. cu jet de ap / abur sub presiune
mare.n cazuri foarte rare sunt necesare procese mai complexe de
curare sau nlocuirea plcilor.
4. Cuprins
1. Introducere1
2. Clasificari1
3. Schimbatoare de cldur cu placi
7
3.1.Schimbatoarele cu placi si garnituri demontabile7
3.2.Schimbatoarele cu placi sudate9
3.3.Schimbatoarele cu placi brazate9
3.4.Schimbatoarele de caldura cu placi avand circuite
imprimate12
3.5.ntreinere
12
5. Bibliografie
1. Comportamentul termic al sistemelor si echipamentelor
termice, Florin Iordache;2. Carte tehnica SCP Zimlet;3. Carte
tehnica Danfoss - schimbatoare de caldura in placi;4.
www.danfoss.ro5. www.viessmann.ro
4
5
