Universitatea Tehnică Cluj – NapocaFacultatea de Instalaţii

Instalaţii de Încalzire a Clădirilor Multizonale şi cu Destinaţii speciale

-Referat-

-Schimbătoare de căldură-

Autor: Dârjan Paul

Grupa: 3511

An: 1 Master

Schimbătoare de căldură

I. Introducere

Schimbătoarele de căldură reprezintă aparate care au drept scop transferul de căldură de la un fluid la altul în procese de încălzire, răcire, fierbere, condensare sau în alte procese termice

în care sunt prezente două sau mai multe fluide cu temperaturi diferite. Din punct de vedere funcţional, numărul lor este foarte mare (ex.: preîncălzitoare de apă

sau aer, răcitoare de ulei, distilatoare, vaporizatoare, condensatoare, radiatoare, etc.) însă principiul de funcţionare este acelaşi şi anume transferul de căldură de la un fluid la altul prin intermediul unui perete despărţitor.

Există şi schimbătoare de căldură fără perete despărţitor între fluide, ca de exemplu turnurile de răcire, camerele de pulverizare etc., dar calculul este mai complicat deşi principiul de lucru este acelaşi.

Schematizat, un schimbător de căldură constă din două compartimente separate de un perete, prin fiecare circulând câte un fluid. Prin peretele despărţitor are loc transferul căldurii de la fluidul cald la cel rece. În timpul circulaţiei fluidelor prin cele două compartimente, temperatura lor variază, unul încălzindu-se celălalt răcindu-se. Temperaturile la intrarea în schimbătorul de căldură se notează cu indice prim iar cele la ieşire cu indice secund.

II. Clasificarea schimbătoarelor de căldură

1.După principiul de funcţionare, schimbătoarele de căldură pot fi împărţite în trei categorii:

- recuperatoare, - regeneratoare - prin amestec. În cele recuperatoare fluidul cald şi cel rece circulă simultan prin aparat, iar căldura este

transferată printr-un perete care separă fluidele. Cele mai întălnite schimbătoare de acest tip în

industrie sunt generatoarele de abur, racitoare de apă (radiatoare), condesatoarele pentru diferite substanţe, etc.

În cele regeneratoare, aceeaşi suprafaţă de schimb de căldură este expusă alternativ fluidului cald şi rece, căldura preluată de la agentul cald fiind acumulată în pereţii aparatului şi cedată apoi agentului rece, cum sunt aparatele cu umplutură metalică sau ceramică.

Atât recuperatoarele, cât şi regeneratoarele sunt schimbătoare de căldură la care transferul se face indirect, prin intermediul unui perete (care are o anumită suprafaţă finită) şi de aceea se mai numesc şi schimbătoare de căldură de suprafaţă.

La schimbătoarele de amestec procesul de schimb de căldură se realizează prin contactul direct şi amestecarea fluidului cald cu cel rece, rezultând un singur fluid cu proprietăţi termice medii între cei doi agenţi disponibili iniţial. Schimbătoare de acest tip sunt turnurile de răcire, degazoarele, unele condensatoare, etc.

Dintre aceste trei tipuri de schimbătoare, cele de primul tip, adică recuperatoarele sunt cele mai răspândite. Ele se realizează într-o gamă largă de soluţii constructive, de la cel mai simplu aparat tip ţeavă în ţeavă, până la unităţi complexe, cu suprafeţe de schimb extinse la mii de metri pătraţi. Dintre soluţiile constructive cea mai des întâlnită în practică este cea cu ţevi în manta (fig. 1.1), care asigură o bună compactitate, poate rezova probleme de schimb de orice tip (încălziri / răciri, vaporizări, condensări), iar tehnologia de execuţie pe care o reclamă este destul de accesibilă şi relativ ieftină.

Fig. 1.1

O soluţie constructivă deosebită este prezentată în fig. 1.2, unde prin montarea ţevilor de aducţiune în interiorul altor ţevi închise la capăt se dublează suprafaţa de schimb de căldură, fără ca gabaritul aparatului să crească prea mult.

manta capacplacatubulara II

placatubulara I

t1"

t1', W1t2"

t2', W2

tevi interioaretevi exterioare

Fig. 1.2

2.După felul în care se desfăşoară procesul în timp, pot exista schimbătoare cu acţiune continuă (fig. 2.1 b, c) , la care schimbul de căldură se realizează la un regim termic permanent (sau stabilizat), şi aparate cu acţiune discontinuă (fig. 2.1 a) la care transferul de căldură are loc intermitent (aparate acumulatoare, în care căldura este înmagazinată când este disponibilă şi livrată apoi la cerere) sau periodic (la aparatele regeneratoare care presupun trecerea succesivă a agenţilor prin aparat).

Fluid cald Fluid recea) b)

c)

t1'

t1"

t2'

t2"

t1'

t2"

t1"

t1'

umplutura

t1'

t2"

t1"

t2'

Fig. 2.1

3.După felul proceselor pe care le suportă agenţii termici avem aparate fără schimbarea stării de agregare, dar şi aparate la cere unul din agenţi îşi schimbă starea de agregare la trecerea prin schimbător (se vaporizează sau condensează).

4.După felul suprafeţei de schimb de căldură avem schimbătoare cu ţevi (tubulare), cu plăci sau cu lamele (fig. 4.1), cu serpentine (adică ţevi sau plăci spirale ca în fig. 4.2), sau cu suprafeţe extinse (cu nervuri, cu proeminenţe aciculare, cu promotori de turbulenţă, etc. – fig. 4.3)

Fig. 4.1

Fig. 4.2 Fig. 4.3

5. Dupa modului în care curg cele două fluide prin schimbător există schimbătoarea) cu curgere paralelă în echicurent;b) cu curgere paralelă în contracurent;

c) cu curgere încrucişată;d) cu curgere mixtă.

Fig. 5.1

III. Parametri de dimensionare şi funcţionare

1. Etapele de proiectare. Moduri de curgere a fluidelor prin schimbătorProiectarea completă a unui schimbător de căldură cuprinde următoarele etape:- calculul termic şi hidrodinamic- calculul mecanic (de rezistenţă)- realizarea proiectului de execuţieCalculul termic urmăreşte determinarea suprafeţei de schimb de căldură şi a modului de

dispunere a acesteia în spaţiu pentru realizarea unei sarcini termice impuse, pentru anumite debite şi temperaturi ale fluidelor de lucru. Calculul hidrodinamic corelează aceste elemente cu pierderile de presiune admise şi cu energia de pompare a agenţilor termici, stabilind în final puterea necesară pompei de apă şi a ventilatorului de aer.

Calculul mecanic alege soluţia constructivă, luând în considerare regimul de lucru, temperaturile şi presiunile de funcţionare, caracteristicile de coroziune ale fluidelor, compensarea dilatărilor relative şi a eforturilor termice care pot să apară, precum şi legătura schimbătorului cu alte echipamente.

Proiectul de execuţie finalizează calculele precedente şi elaborează documentaţia de fabricaţie a unui aparat cu preţ de cost cât mai scăzut în condiţii de calitate şi fiabilitate impuse de beneficiar.

În plus, în exploatare, schimbătoarele de căldură sunt supuse periodic unei analize a performanţelor de funcţionare, adică după efectuarea unor măsurători specifice se trece la determinarea unor indici privind calitatea transferului căldurii şi a pierderilor de căldură în mediul ambiant. În urma acestor analize se adoptă măsurile cele mai potrivite de ameliorare a funcţionării schimbătorului de căldură.

2. Ecuaţiile de bază ale schimbătoarelor de căldurăCalculul termic al schimbătoarelor de căldură de suprafaţă se bazează pe următoarele

două ecuaţii principiale:- ecuaţia de bilanţ termic:

Q1=Q2+Qp=Q2

ηr (1.1)

- ecuaţia de transmitere a căldurii:

Q=kS⋅S⋅Δtmed=k l⋅L⋅Δtmed (1.2)

în care:

Q1=G1 c p 1 (t1'−t1 right )=G rSub { size 8{1} } left (i rSub { size 8{1} } ' - i rSub { size 8{1} } )=W 1¿¿(1.3)

Q2=G2c p 2 (t2 - t rSub { size 8{2} } ' right )=G rSub { size 8{2} } left (i rSub { size 8{2} } −i2 ' )=W 2¿¿(1.4)

W 1=G1 c p 1 ; W 2=G2 c p 2 (1.5)

δt1=t1 '−t1 `;~δt rSub { size 8{2} } =t rSub { size 8{2} } −t2' (1.6)

În fig. 2.1 se prezintă principalele mărimi care apar în calculul termic al schimbătoarelor de căldură de suprafaţă.

G1 c p1

t'1 i'1t"1 i"

1

G 2c p2

t'2

i'2

t"2i"2

Q.

S(L)

ks (kL)

r

Fig. 2.1În relaţiile 1.1 1.6 şi în fig. 1.11 s-au folosit următoarele notaţii: Q1 Q2 - fluxul de căldură cedat de agentul cald, respectiv primit de agentul rece, în W Qp – pierderile de căldură ale aparatului în mediul ambiant, în W r – coeficientul de reţinere a căldurii în aparat Q – sarcina termică a aparatului de schimb de căldură, în W. De obicei Q = Q2

S – suprafaţa de schimb de căldură, în m2

L – lungimea totală a ţevilor schimbătoare de căldură (la aparatele tubulare), în m ks,kl – coeficientul global de schimb de căldură a aparatului cu depuneri pe suprafaţa de transfer de căldură, raportat la suprafaţa de încălzire, în W/(m2K), respectiv la lungimea ţevilor la aparatele tubulare, în W/(mK), ambii presupuşi constanţi de-a lungul aparatului. tmed – diferenţa medie de temperatură a agenţilor termici, în °C (sau K), tmed = t1 – t2

t1, t2 – temperatura medie în aparat a agentului cald, respectiv a agentului rece, în °C (sau K) G1, G2 – debitul masic de agent cald, respectiv de agent rece, în kg/s cp1, cp2 – căldura specifică la presiune constantă a agentului cald, respectiv rece, în J/(kgK) W1, W2 – capacitatea termică a agentului cald, respectiv rece, în W/K t1’, t1” – temperatura agentului cald la intrarea, respectiv ieşirea din aparat, , în °C (sau K) t2’, t2” – temperatura agentului rece la intrarea, respectiv ieşirea din aparat, , în °C (sau K) i1’, i1” – entalpia specifică a agentului cald la intrarea, respectiv ieşirea din aparat, , în J/kg i2’, i2” – entalpia specifică a agentului rece la intrarea, respectiv ieşirea din aparat, , în J/kg t1, t2 – variaţia de temperatură în aparat a agentului cald, respectiv a agentului rece, în °C (sau K)În notaţii s-au utilizat următorii indici inferiori şi superiori:

1 - pentru fluidul cald2 – pentru fluidul rece‘ – pentru intrarea în aparat“ – pentru ieşirea din aparat

La aparatele cu suprafaţa de încălzire plană, coeficientul global de schimb de căldură se determină cu relaţia:

1k s

= 1α1

+ δλ+ 1

α2

+Rsd 1+Rsd 2=1

ks 0

+Rsd=Rs(1.7)

în care:

1k s0

= 1α 1

+ δλ+ 1

α2

; Rsd=Rsd 1+R sd 2(1.8)

În formulele 1.7 şi 1.8 s-au notat în plus:ks0 – coeficientul global de schimb de căldură al aparatului curat, fără depuneri, raportat

la suprafaţa de încălzire, în W/(m2K)1, 2 – coeficientul de schimb de căldură prin convecţie de la agentul cald la perete,

respectiv de la perete la agentul rece în W/(m2K) - conductivitatea termică a materialului peretelui despărţitor dintre cele două fluide, în

W/(mK) - grosimea peretelui despărţitor, în m

Rsd1, Rsd2 – rezistenţa termică a depunerilor agentului cald, respectiv rece, în (m2K)/WRsd – rezistenţa termică totală a depunerilor, în (m2K)/WRs – rezistenţa termică totală a aparatului cu depuneri, raportată la suprafaţa de încălzire,

în (m2K)/WLa aparatele tubulare, coeficientul global de schimb de căldură k l se calculează cu

expresia:

1k l

= 1πd i αi

+ 12 πλ

lnd e

d i

+ 1πd e αe

+R sdi

πd i

+Rsde

πde

= 1k l 0

+R sdi

πdi

+R sde

πde

=Rl(1.9)

unde desigur:

1k l 0

= 1πd i α i

+ 12 πλ

lnde

d i

+ 1πde α e (1.10)

Pentru aparatele tubulare la care suprafaţa de schimb de căldură se exprimă, de regulă, ca suprafaţă exterioară a ţevilor, coeficientul global de schimb de căldură raportat la această suprafaţă va fi

1k s

=de

d i αi

+de

2 λln

de

d i

+ 1αe

+de R sdi

d i

+R sde=1

ks 0

+de Rsdi

d i

+R sde=R s(1.11)

1k s0

=de

d i α i

+d e

2 λln

de

d i

+ 1α e

; R sd=de R sdi

d i

+Rsde(1.12)

iar notaţiile utilizate suplimentar în aceste relaţii sunt:kl0 – coeficientul global de schimb de căldură al aparatului curat, fără depuneri, raportat la

lungimea ţevilor, , în W/(mK)i, e – coeficientul de schimb de căldură prin convecţie între agentul termic şi peretele

interior, respectiv exterior al ţevilor, în W/(m2K)di, de – diametrul interior, respectiv interior al ţevilor, în mRsdi, Rsde – rezistenţa termică a depunerilor pe peretele interior, respectiv exterior al

ţevilor, în (m2K)/WRl – rezistenţa termică totală a aparatului cu depuneri, raportată la lungimea totală a

ţevilor, în (mK)/W

3. Metode utilizate la calculul termic al schimbătoarelora) Aparatele cu curgere încrucişată sau mixtă. Metoda factorului de corecţie “F”Proiectarea practică a schimbătoarelor de căldură pentru valori ridicate ale sarcinii

termice nu este întotdeauna compatibilă cu utilizarea schemelor de curgere paralelă, în

echicurent sau contracurent, datorită spaţiului disponibil. Din considerente de spaţiu, care trebuie să fie cât mai redus, dar şi de viteze de curgere, care trebuie să fie optime (economice), iar asta înseamnă că trebuie să fie destul de mari, s-au impus de-a lungul timpului nişte soluţii constructive speciale pentru schimbătoarele de căldură care presupun curgerea încrucişată (CÎ) sau curgerea mixtă (CM) a fluidelor prin aparat.

Pentru aceste aparate, cu o schemă de curgere mai complicată, diferită de curgerea paralelă în EC sau CC, diferenţa medie de temperatură se poate calcula cu relaţia:

Δtmed=Δtmed ,CI (CM )=F⋅Δtmed , CC (1.13)

în care F este un factor de corecţie subunitar cu care se înmulţeşte diferenţa medie de temperatură a aparatului în contracurent, tmed,CC considerată ca referinţă.

În aceste condiţii, ecuaţia 1.2 de transmitere a căldurii se poate rescrie astfel:

Q=ks S Δtmed=ks SF Δtmed ,CC (1.14)

Factorul de corecţie F se exprimă prin relaţii de forma:F = f (P, R, schemă de curgere) (1.15)

în care mărimile P şi R sunt de fapt rapoarte între intervale de temperaturi, şi anume (vezi fig. 4.12):

P=t rSub { size 8{2} } - t' rSub { size 8{2} } } over {t' rSub { size 8{1} } - t' rSub { size 8{2} } } } = { {δt rSub { size 8{2} } } over {t' rSub { size 8{1} } - t' rSub { size 8{2} } } } <= 1`;~R= { {t' rSub { size 8{1} } - t 1

t rSub { size 8{2} } - t' rSub { size 8{2} } } } = { {δt rSub { size 8{1} } } over {δt rSub { size 8{2} } } } = { {W rSub { size 8{2} } } over {W rSub { size 8{1} } } } ` rSub { size 8{<} } rSup { size 8{>} } `1} { ¿¿¿

(1.16)

Funcţiile de forma 1.15 au fost stabilite analitic sau experimental pentru diferite scheme de curgere şi apoi reprezentate grafic , diagramele fiind disponibile în literatura de specialitate pentru o gamă largă de tipuri de schimbătoare. Studiind aceste funcţii, putem face următoarele consideraţii:

- pentru temperaturi date ale agenţilor termici, deci pentru valori fixate ale parametrilor P şi R, eficienţa schemei de curgere scade în următoarea ordine: contracurent, la care coeficientul F = 1, curent mixt, curent încrucişat, echicurent.

- Pentru toate schimbătoarele de căldură cu schimbarea stării de agregare se poate considera F = 1, deci tmed este de fapt cea calculată pentru contracurent.

Metoda factorului de corecţie F este utilă în calculul de proiectare, dar este dificil de aplicat în calculele de verificare sau de analiză a performanţelor unui schimbător a cărui suprafaţă de schimb de căldură este dată, adică se cunoaşte, iar necunoscutele sunt temperaturile de intrare sau cele de ieşire. Metoda factorului de corecţie F va duce în aceste cazuri la calcule iterative.

Mai trebuie să menţionăm că la deducerea relaţiilor de calcul pentru diferenţa medie logaritmică de temperatură şi la stabilirea metodei factorului de corecţie, am considerat ca ipoteză simplificatoare faptul că ks este constant pe întregul aparat. În realitate acest lucru nu este adevărat, deoarece odată cu variaţia temperaturilor agenţilor termici se modifică şi proprietăţile

fizice ale acestora şi ca atare mărimile 1, 2 şi . Variaţia lui ks este afectată în special de modificarea cu temperatura a vâscozităţii fluidelor.

Pentru utilizarea relaţiei 1.2 este totuşi necesară stabilirea unui coeficient ks constant, adică o mărime medie a acestuia pentru intregul aparat. Acest lucru se obţine determinând valoarea lui ks corespunzătoare unor temperaturi medii ale agentului cald t1 şi agentului rece t2, la care se evaluează proprietăţile fizice ale acestora. Pentru toate aparatele, idiferent de schema de curgere, temperaturile medii t1 şi t2 se pot stabili cu următoarele relaţii aproximative:

- Dacă t1 < t2, adică răcirea agentului cald este mai mică decât încălzirea agentului rece:

t1=t '1+t rSub { size 8{1} } } over {2} } ~t rSub { size 8{2} } =t rSub { size 8{1} } - Δt rSub { size 8{ ital med } } } { ¿¿¿(1.17)

- Dacă t2 < t1, adică răcirea agentului cald este mai mare decât încălzirea agentului rece:

t2=t '2+ t rSub { size 8{2} } } over {2} } ~t rSub { size 8{1} } =t rSub { size 8{2} } +Δt rSub { size 8{ ital med } } } {¿¿¿(1.18)

b). Metoda eficienţă termică – număr de unităţi de transfer de căldură ( - NTC)Metoda - NTC a fost creată în special pentru studiul schimbătoarelor de căldură

existente, la care, suprafaţa de schimb de căldură fiind dată, este necesară efectuarea unor calcule de alegere a aparatelor, sau de determinare a indicilor de funcţionare. Metoda se bazează pe eficienţa aparatului în transferul unei cantităţi de căldură date. În continuare vom considera coeficientul de reţinere a căldurii în aparat r = 1, care este destul de corectă din punct de vedere practic.

Metoda - NTC utilizează trei parametri adimensionali: eficienţa termică a schimbătorului de căldură , numărul de unităţi de transfer de căldură NTC şi raportul capacităţilor termice (Wmin/Wmax), în care Wmin şi Wmax reprezintă valoarea minimă, respectiv maximă dintre W1 şi W2.

Eficienţa termică a schimbătorului de căldură se defineşte ca raportul dintre sarcina termică reală Q a aparatului dat şi sarcina termică maximă posibilă Qmax, corespunzătoare aparatului în contracurent, cu suprafaţă de schimb de căldură infinită:

ε= QQmax

=W 1( t '1−t rSub { size 8{1} } right )} over {W rSub { size 8{ min } } left (t' rSub { size 8{1} } - t' rSub { size 8{2} } right )} } = { {W rSub { size 8{2} } left (t 2−t '2)

W min ( t '1−t '2) (1.19)

unde Wmin reprezintă capacitatea termică minimă ditre W1 şi W2.

În aparatul în contracurent cu suprafaţa de schimb de căldură infinită, fără pierderi de căldură în mediul ambiant este evident că dacă W2 < W1, temperatura de ieşire a fluidului rece egalează temperatura de intrare a fluidului cald, iar dacă W1 < W2, temperatura de ieşire a fluidului cald egalează temperatura de intrare a fluidului rece. În ambele cazuri aparatul cu suprafaţă de schimb de căldură infinită are eficienţa termică = 1. Astfel eficienţa termică

efectuează comparaţia între sarcina termică reală şi cea maximă, limitată de principiul al doilea al termodinamicii.

Sarcina termică maximă posibilă corespunde astfel cazului limită în care, pentru respectarea ecuaţiei bilanţului termic al aparatului, conform căreia energia termică cedată de un fluid este egală cu cea primită de celălalt fluid, agentul termic cu capacitatea termică minimă Wmin = (Gcp)min efectuează variaţia maximă de temperatură disponibilă în aparat şi anume aceea egală cu diferenţa temperaturilor de intrare a fluidului cald şi rece tmax = t’1 – t’2, adică:

Qmax= (Gcp )minδt max=W min ( t '1−t '2) (1.20)

Sarcina termică reală a aparatului se calculează cu ajutorul eficienţei termice din rel. 1.19:

Q=ε Qmax=ε Wmin (t '1−t '2 )=W 1 (t ' 1−t rSub { size 8{1} } right )=W rSub { size 8{2} } left (t2−t '2) (1.21)

care reprezintă relaţia de bază pentru această metodă. Sarcina termică Q este determinată în funcţie de diferenţa temperaturilor fluidelor la intrarea în aparat şi este o relaţie care înlocuieşte relaţia 1.14 de la metoda anterioară a coeficientului de corecţie F, unde erau necesare şi temperaturile de ieşire ale fluidelor.

În continuare, pentru fiecare tip de aparat (contracurent, echicurent, curent încrucişat sau mixt) se poate deduce câte o relaţie care exprimă eficienţa termică a aparatului respectiv în funcţie de mărimile NTCmax şi (Wmin/Wmax).

Pentru aparatul în contracurent: se admite că fluidul rece are capacitatea termică minimă, adică W2 = Wmin. Pe baza relaţiei 1.4 se poate scrie:

Q=W 2 ( t rSub { size 8{2} } - t' rSub { size 8{2} } right )=k rSub { size 8{s} } S { { left (t 1−t '2)−(t '1−t rSub { size 8{2} } right )} over { ln { { left (t1−t '2)¿¿ (1.22)

Temperatura de intrare a agentului cald t’1 poate fi exprimată în funcţie de , cu ajutorul relaţiei 1.21, şi anume:

t ' 1=t '2+Q

ε W min

=t ' 2+t rSub { size 8{2} } - t' rSub { size 8{2} } } over {ε} } } { ¿¿¿(1.23)

iar diferenţa de temperatură la intrarea în aparat este în consecinţă:t '1−t rSub { size 8{2} } =t' rSub { size 8{2} } + { {t2−t '2

ε¿−t rSub { size 8{2} } = left ( { {1} over {ε} } - 1 right ) left (t2−t '2¿¿¿

(1.24)

Diferenţa de temperatură la ieşirea din aparat se obţine prin rezolvarea ecuaţiei bilanţului termic (ultimele două egalităţi din 1.21) în funcţie de t”1 şi vom avea succesiv:

t rSub { size 8{1} } =t' rSub { size 8{1} } - { {W rSub { size 8{2} } } over {W rSub { size 8{1} } } } left (t 2−t '2¿¿=t ' 1−W min

W max

¿(1.25)

t rSub { size 8{1} } - t' rSub { size 8{2} } =t' rSub { size 8{1} } - t' rSub { size 8{2} } - { {W rSub { size 8{ min} } } over {W rSub { size 8{max } } } } left (t2−t '2¿¿¿(1.26)

iar dacă ţinem seama de 1.23 vom obţine:t rSub { size 8{1} } - t' rSub { size 8{2} } = { {t2−t '2

ε¿−

W min

W max( t rSub { size 8{2} } - t' rSub { size 8{2} } right )= left ( { {1} over {ε} } - { {W rSub { size 8{ min } } } over {W rSub { size 8{max } } } } right ) left (t2−t '2)¿

(1.27)

Înlocuind ecuaţiile 1.24 şi 1.27 în relaţia 4.38 vom avea:

ln

1ε−

W min

W max

1ε−1

=k s S

W min(1− W min

W max)

(1.28)

iar în final obţinem expresia de calcul pentru eficienţa termică a aparatului în contracurent:

ε=

1−exp [−NTCmax(1−W min

W max)]

1−W min

W max

⋅exp[−NTCmax (1− W min

W max)]

(1.29)

unde am notat numărul de unităţi de transfer de căldură:k s S

W min

=NTCmax(1.30)

Relaţia 1.29 a fost stabilită în ipoteza că fluidul rece are capacitatea Wmin, dar se poate arăta că şi dacă pornim de la premisa că fluidul cald are capacitatea Wmin vom ajunge la exact aceeaşi relaţie.

Pentru schema de curgere in echicurent printr-un raţionament similar se ajunge la relaţia:

ε=

1−exp [−NTC max(1+W min

W max)]

1+W min

W max (1.31)

Pentru schema de curgere în curent încrucişat cu ambele fluide neamestecate vom ajunge la expresia:

ε=1−exp [exp(−NTC max

W min

W max

n)−1

Wmin

Wmax

n ](1.32)

in care am notat:

n=NTCmax−0 .22

(1.33)

În relaţiile 1.29 1.32 am utilizat mărimea NTC, adică numărul de unităţi de transfer de căldură care se defineşte pentru un fluid prin relaţia:

NTC=k s S

W=¿¿¿¿

(1.34)

în care t = t’ – t”reprezintă variaţia de temperatură a fluidului în aparat, iar tmed, diferenţa medie de temperatură.

Mărimea NTC este un parametru care caracterizează posibilităţile de transfer de căldură ale aparatului. Semnificaţia lui fizică este aceea de “ lungime termică”, prin asociaţie cu lungimea canalului parcurs de fluid în aparat. De regulă, performanţele unui aparat cresc odată cu creşterea acestui parametru, NTC.

Expresiile din relaţiile 1.29 1.32 pot fi reprezentate grafic pentru calcule expeditive. Iar diagramele se găsesc in literatura de specialitate.

Legat de utilizarea metodei - NTC se pot face următoarele observaţii:- eficienţa termică variază asimptotic în funcţie de NTC pentru un raport dat

(Wmin/Wmax). La limită, indiferent de schema de curgere, 1 dacă NTCmax şi (Wmin/Wmax) 0

- pentru o valoare dată a lui NTCmax , eficienţa creşte cu scăderea raportului (Wmin/Wmax)

- cazul limită (Wmin/Wmax) = 0 corespunde în practică aparatelor condensatoare sau vaporizatoare, la care, temperatura proceselor rămânând constantă, prin definiţie cp = . La răcitoarele gaze – apă în general (Wapă >>Wgaze), iar pentru cazul limită (Wmin/Wmax) = 0, toate schemele au aceeaşi eficienţă termică, şi anume:

ε=1−exp (−NTCmax ) (1.35)

- pentru toate schemele de curgere eficienţa termică minimă se obţine în cazul limită (Wmin/Wmax) = 1. În acest caz aparatul în contracurent are eficienţa maximă dintre

toate schemele de curgere, iar cel în echicurent cea minimă, ele având expresiile din formulele următoare:

ε=NTCmax

1+NTC max

pt . cc .(1.36)

ε=1−exp (−2 NTCmax )

2pt . ec

(1.37)

c). Metoda - P – R – NTC

Această metodă are faţă de primele două ( F, respectiv - NTC) avantajul că poate fi folosită atât la calcule de dimensionare, cât şi în cele de verificare sau de stabilire a indicilor de funcţionare a aparatelor schimbătoare de căldură. Această metodă combină parametri P, R şi NTC introduşi la prezentarea metodelor precedente şi introduce suplimentar mărimea adimensională .

Mărimea reprezintă raportul dintre diferenţa medie de temperatură din aparat tmed şi diferenţa temperaturilor de intrare ale agenţilor termici t’1 şi t’2, adică:

θ=Δtmed

t '1−t '2 (1.38)

Cu ajutorul parametrilor de mai sus se exprimă grafic sau analitic pentru orice schemă de curgere relaţii de forma:

θ=Δtmed

t '1−t '2=f (P , R ,

1NTC 2

, schema de curgere)(1.39)

Relaţia 1.39 se poate transpune, pentru fiecare schemă de curgere în parte, pe un grafic. Pentru un aparat dat, regimurile de funcţionare sunt date de dreptele (W2/ksS) care trec prin origine. Din diagramă se poate scoate tmed, dacă se cunosc celelate mărimi în grupe de câte două : R şi P, R şi NTC2 sau P şi NTC2. Putem utiliza diagrama şi pornind de la tmed cunoscut şi cu ajutorul lui R sau P să-l determinăm pe NTC2. De aceea această diagramă se poate utiliza şi la dimensionare şi la verificare.

IV. Elemente de construcţie ale schimbătoarelor de căldură

1.Tevi speciale pentru imbunatatirea transferului termic

In figura 1.1 sunt prezentate tevi cu nervuri spiralate, care se utilizeaza in special la constructia vaporizatoarelor:

Fig. 1.1 Tevi cu nervuri spiralate In figura 1.2 este prezentata o teava cu nervuri exterioare joase, realizate prin extrudare, din materialul de baza al tevii. Dupa extrudare, diametrul exterior al partilor lise ale tevilor, este egal cu diametrul exterior al nervurilor, ceea ce permite o montare usoara in placile tubulare. Pasul dintre nervuri este in mod uzual de (0,8…1,5) mm, iar inaltimea nervurilor este de aproximativ (1…1,5) mm. Aceste tevi pot sa asigure un raport intre suprafata exterioara a tevilor nervurate si suprafata interioara a acestora de 3…5, ceea ce reprezinta o crestere semnificativa a suprafetei exterioare de transfer termic.

Fig. 1.2 Teava cu nervuri joase, obtinute prin extrudare

In figura 3.4. sunt prezentate cateva tipuri de tevi cu aripioare ondulate. Aceste tevi se utilizeaza in special la constructia vaporizatoarelor. Pe teava de baza se monteaza prin sudare elicoidala, o banda ondulata. Asemenea constructii se pot realiza pentru tevi avand diametre intre (8…39) mm. Inaltimea nervurilor este de 9 mm, iar grosimea acestora variaza intre 0,2…0,3 mm. Raportul dintre suprafata exterioara si cea interioara este de 9…16.

Fig. 1.2 Tevi cu nervuri ondulate

In figura 1.3 este prezentata o teava cu nervuri in forma de ace. Acestea se utilizeaza in special la constructia condensatoarelor. Exteriorul tevilor se aseamana cu o perie metlica, ceea ce asigura o suprafata si o intensitate a transferului termic, foarte ridicate. Aceste tipuri de tevi sunt eficiente in primul rand pentru transferul caldurii in medii gazoase si in particular in aer.

Fig. 1.3 Teava cu nervuri aciforme

In figura 1.4 sunt prezentate cateva tevi cu miez in forma de stea, care se utilizeaza la constructia vaporizatoarelor cu fierbere in interiorul tevilor. Suprafata interioara este marita prin introducerea in tevi a miezurilor realizate din aluminiu si avand uzual cinci sau zece raze. Problema tehnica a realizarii acestor tevi o reprezinta asigurarea contactului termic dintre teava de baza si miez, realizat prin introducerea fortata a miezului. Intensitatea transferului termic este marita daca se realizeaza si rasucirea miezului de 2…3 ori pe fiecare metru de teava. Tevile cu miez in forma de stea pot avea Fig. 1.4 Tevi cu miez in forma de steadiametre de 16…19 mm si grosimea de 1 mm. Raportul dintre suprafata interioara si cea exterioara este de 2 in cazul miezurilor cu 5 raze si 3,7 in cazul miezurilor cu 10 raze.

In figura 1.5 sunt prezentate cateva modele de tevi cu nervuri interioare. Aceste tevi se pot utiliza si la vaporizatoare si la condensatoare. Nervurile sunt realizate din teava de baza, ceea ce asigura un transfer termic foarte bun. exista numeroase forme ale nervurilor si grade de rasucire. Fata de tevile lise, coeficientul global de transfer termic creste mult datorita urmatoarelor efecte: - cresterea suprafetei de transfer termic;- drenajul prin capilaritate a fazei lichide, care formeaza un film subtire pe suprafata interioara nervurata; - rotirea filmului de lichid, datorita rasucirii (inclinarii) nervurilor.

Fig. 1.5 Tevi cu nervuri interoare

In figura 1.6 sunt prezentate doua tevi cu suprafata neregulata montate una in alta. Asemenea tevi se pot utiliza eficient in constructia condensatoarelor si a vaporizatoarelor, sunt foarte moderne si se produc in Japonia, SUA, Germania sau Franta. Suprafetele tevilor prezinta diferite tipuri de cavitati, proeminente piramidale sau asperitati, realizate prin diverse procedee tehnologice noi. Suprafetele neregulate ale acestor tevi pot intensifica transferul termic in cazul schimbarii starii de agregare, pentru ca favorizeaza amorsarea fierberii, respectiv a condensarii. Din acest motiv aceste tevi mai sunt numite si tevi de nucleatie. Fig. 1.6 Tevi cu suprafete neregulate

In figura 1.7 este prezentata o teava din materiale compozite. Asemenea tevi se pot utiliza si in condensatoare si in vaporizatoare, atunci cand conditiile de transfer termic sunt mediocre atat in interior cat si in exteriorul tevilor. Aceste tevi combina avantajele nervurilor exterioare cu cele ale generatoarelor interioare de turbulenta. Exista mai multe variante de asemenea tevi intre care se pot aminti tevi cu nervuri elicoidale la interior si structura piramidala la exterior, sau tevi cu nervuri elicoidale atat la interior cat si la exterior. Diametrele pentru care se produc asemenea tevi sunt de 10…19 mm, iar raportul dintre suprafata exterioara si cea interioara este de 1,5…2.

Fig. 1.7 Teava realizata din materiale composite2.Placile tubulare Placile tubulare se utilizeaza pentru fixarea tevilor in fascicul si se monteaza la extremitatile mantalei. Daca este necesar, pentru sustinerea fasciculului de tevi se utilizeaza si suporti. Pentru realizarea placilor tubulare si a suportilor se pot utilizea urmatoarele materiale in functie de natura agentilor si agresivitatea acestora fata de aceste materiale:- oteluri – pentru agenti frigorifici, apa dulce sau agenti intermediari de racire fara saruri;- cupru pentru freoni, dar nu si pentru amoniac;- bronz – pentru apa de mare sau agenti intermediari pe baza de saruri;- otel placat cu otel inoxidabil – pentru agenti agresivi;- otel inoxidabil – pentru lichide alimentare.Orificiile sunt practicate in placile tubulare si in placile suport, astfel incat sa formeze de regula hexagoane (sau triunghiuri eliciodale). Uneori gaurile, respectiv tevile se dispun in forma de coridor (sau patrate), iar uneori in forma de cercuri concentrice, ca in figura 3.15, in care a este numarul de tevi pe latura hexagonului, respectiv patratului exterior, iar b este numarul de tevi pe diagonala hexagonului exterior. In vederea unei montari usoare a tevilor in fascicul prin placile tubulare si suporti, gaurile din acestea se realizeaza simultan, (toate odata).

Fig. 2.1 Moduri de dispunere a tevilor in placile tubularea – dupa hexagoane; b – dupa patrate; c – dupa cercuri concentrice

In cazul cel mai des intalnit, al hexagoanelor, de regula pasul dintre tevi este de aproximativ 1,25 diametrul exterior al tevilor. Gaurile din placile tubulare se finiseaza in mod diferit, in functie de procesul tehnologic de montare a tevilor. Astfel pentru tevile sudate electric sau brazate se realizeaza o alezare urmata de samfrenare, iar pentru tevile mandrinate se realizeaza o alezare urmata de realizarea unor canale interioare, asa cum se observa in figura 2.2 Mandrinarea se ralizeaza astfel incat in urma deformarii tevilor, acestea sa se fixeze in canalele prevazute in gaurile de fixare.

Fig. 2.2 Procedeele uzuale de fixare a tevilor in placile tubulare3.Mantaua

Mantaua schimbatoarelor de caldura multitubulare se calculeaza astfel incat sa aiba un diametru interior care sa permita montarea fasciculului de tevi. Grosimea mantalei se determina din calculul de rezistenta, astfel incat sa reziste la presiunea de lucru a agentului dintre tevi si manta (minim 4 bar). Materialul din care se realizeaza mantalele este otelul. Pana la diametre de cca. 400 mm, acestea se realizeaza din tevi avand diametrele standardizate. Pentru diametre mai mari, mantalele se realizeaza din virole obtinute prin roluire. Sudurile prin care se realizeaza asamblarea virolelor in manta, trebuie controlate prin metode defectoscopice nedistructive (cel mai adesea raze g ). Dupa montare schimbatoarele de caldura multitubulare sunt supuse unor probe hidraulice de etansitate la presiuni ceva mai mari decat cele nominale.

4.CapaceleCapacele au rolul de a realiza circulatia agentului din interiorul tevilor. Sicanele montate

pe capace asigura numarul de drumuri prin interiorul tevilor, astfel incat sa se realizeze vitezele

de curgere dorite. Tot pe capace sunt montate racordurile de intrare/iesire pentru agentul care curge prin tevi. De obicei numarul de treceri este par, pentru ca racordurile sa fie montate pe un singur capac. La aparatele de dimensiuni mari, capacele sunt demontabile pentru a permite curatarea interioara a tevilor, iar fixarea capacelor se realizeaza prin suruburi pe flansele prevazute in acest scop la exteriorul placilor tubulare. Capacele se realizeaza prin turnare, cel mai adesea din fonta.

V. Construcţia schimbătoarelor de căldurăIndiferent de modul in care sunt clasificate schimbatoarele de caldura exista patru

modalitati tehnice de realizare a acestora, dintre care primele doua sunt cele mai raspandite: - schimbătoare de căldură cu plăci - schimbătoare de căldură multitubulare - schimbătoare de căldură cu ţevi coaxiale - schimbătoare de căldură cu aripioare

a.Schimbatoare de căldură cu placi 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 1.Schimbatoarele cu placi si garnituri demontabile sunt de tipul prezentat in figura 1. 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. 1.1 Schimbator de caldura cu placi si garnituri demontabile In figura 1.2. 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-nichelFig. 1.2. Schema de curgere in schimbatoarele caldura cu placi

Grosimea placilor poate sa varieze intre 0,6…1,1 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 16…20 bar, iar diferenta maxima dintre presiunile circuitelor poate sa ajunga pana la 9…12 bar si in mod exceptional la 20 bar. 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 1.3, pentru a se asigura rezistenta mecanica si curgerea agentilor, de regula in contracurent. Presiunile nominale maxime pot sa ajunga pana la 30…40 bar, iar domeniul de temperaturi

intre care pot sa lucreze este de –200…+200 °C.

Fig. 1.3. Schimbatoare de caldura din placi sudate

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 1.4 si figura 1.5. 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. 1.4. Schimbator de caldura din placi brazatecare poate functiona ca vaporizator sau condensator

Figura 1.5. Schimbatoare de caldura din placi brazate de diferite dimensiuni Schimbătorul de căldură poate fi cu plăci de tipul L sau H asa cum se vede in figura 6.Plăcile de tip H au un unghi de dispunere mai mare decât cele de tipul L. Plăcile de tip H sunt mai adecvate pentru anumite temperaturi decât cele de tip L. Schimbătoarele de căldură cu plăci de tip H au o capacitate mai bună de încălzire, dar şi un nivel mai mare de pierderi de presiune.Setul de plăci poate fi şi o combinaţie a acestor două tipuri. Dacă una din două plăci este o placă H, iar plăcile L sunt intercalate din două în două,combinatia este de tipul M.

Figura1. 6.Tipuri de placi ale schimbatoarelor de caldura cu placi brazate

Aceste schimbătoarele sunt realizate din plăci presate şi brazate, între care se realizează canalele de circulaţie a fluidului. Turbulenţa mare şi circulaţia în contracurent asigură eficienţa transferului de căldură. Scopul schimbătorului de căldură estetransmiterea căldurii de la circuitul primar la cel secundar prin intermediul unor plăci şi împiedicarea amestecului fluidelor din cele două circuite. Alegerea schimbătorului de căldură depinde de sarcina termică, de temperaturile necesare şi de pierderile de presiune permise. Schimbătoarele de căldură cu 2 treceri, cele mai des utilizate, trebuie alese pentru prepararea apei calde menajere. Schimbătoarele de căldură cu 2 treceri vor răci frecvent apa din sistemul de termoficare sub 25 ºC. Această capacitate poate fi atinsă prin utilizarea unei mari

diferenţe de temperatură, unui volum mai redus de apă, precum şi cu un schimbător de căldură cu o suprafaţă optimă de transfer al caldurii, asa cum se vede in figura 1.7.

Figura 1.7.Schema de functionare a schimbatoarelor de caldura cu placi brazate

si cu 2 treceri

Se recomandă montarea schimbătoarelor de căldură cu baza în jos, în poziţie verticală. Astfel se asigură ventilarea maximă şi reducerea mirosurilor neplăcute. Se recomandă ca toate conductele racordate la schimbătorul de căldura să fie prevăzute cu robinete de închidere pentru a facilita operaţiunile de întreţinere. Conductele trebuie prevăzute cu suporturi pentru a împiedica acumularea tensiunilor de răsucire în racordurile schimbătorului de căldură. Cei ce monteaza asemenea dispozitive recomandă ca schimbătorul de căldură să fie prevazut cu izolatie Schema de curgere a fluidelor in schimbatoarele de caldura brazate este prezentata in figura1.8.

Fig.1.8 Schema de curgere a fluidelor in schimbatoarele cu placi brazate

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.

b.Schimbătoare de căldură multitubulareAceste aparate sunt construite in principiu dintr-un fascicul de tevi, montate in doua placi tubulare si inchise intr-o manta prevazuta cu capace, asa cum se observa in figura 2.1 .

Părţi componente:- tronsoanele schimbătorului delimitate de flănşi;- curbele de legătură dintre tronsoane;- compensatorii de dilataţie;- ştuţurile de legătură dintre tronsoane prin care circulă agentul termic care scaldă

fasciculul de ţevi;- aparatele de măsură şi control (termometre şi manometre);- supape de siguranţă cu contragreutate;- distanţiere;- izolaţie schimbătorului compusă din vată minerală şi glet de ipsos;- vanele: cele patru vane (două de intrare – ieşire agent primar şi două de intrare – ieşire

agent secundar);- robinet de golire

In general tevile sunt laminate si destinate special constructiei schimbatoarelor de caldura. Cele mai utilizate materiale sunt:

- oteluri pentru temperaturi medii sau joase;- cupru;- aliaje cupru-nichel in diferite compozitii (de exemplu 70/30%, sau 90/10%);- aliaje cupru-aluminiu in diferite compozitii (de exemplu 93/7%, sau 91/9%);- diferite tipuri de aliaje cu zinc intre 22 si 40%;- oteluri inoxidabile.

Exista o mare varietate de diametre pentru care sunt produse aceste tevi, dar in general, pentru schimbatoarele de caldura se prefera tevi cu diametre cat mai mici, care asigura un

Fig. 2.1. Schema functionala a unui schimbator de caldura multitubular

transfer termic mai intens si constructii mai compacte, dar se vor avea in vedere si aspectele legate de pierderile de presiune si de colmatare.Utilizarea intensa in ultimii ani a freonilor, caracterizati prin coeficienti de transfer termic mai redusi, a dus intre altele si la producerea de schimbatoare multitubulare, dar nu numai, in care se utilizeaza tevi speciale pentru imbunatatirea conditiilor de transfer termic. In constructie clasica un astfel de aparat este construit dintr-un fascicol de tevi, fixat la capete in orificiile a doua discuri metalice, denumite placi tubulare dupa cum se vede in Figura 2.2.

Figura 2.2 Schimbator de caldura multitubular

Fascicolul de tevi este inchis intr-o manta cilindrica, prevazuta cu racorduri de intrare si de iesire a fluidului. Se creaza astfel doua spatii de circulatie pentru cele doua fluide: un spatiu in interiorul tevilor, denumit spatial tubular sau intratubular si un spatiu intre manta si exteriorul tevilor, denumit spatiulintertubular. Spatiul tubular este inchis de doua capace prevazute, fiecare, cu cate unracord. Spatiul dintre placile tubulare si capace formeaza camera de distributie, respective camera de colectare a fluidului care circula prin tevi. Dispunere tevilor pe placa tubulara se poate face pe hexagoane sau cercuri concentric. Fixarea tevilor in placa tubulara se realizeaza prin mandrinare sau prin sudare.Placile tubulare se fixeaza de manta prin prindere cu suruburi intre doua flanse sau prin sudarea lor directa pe manta . Principalele dimensiuni tehnologice ale unui schimbator de caldura multitubular suntdiametrul si inaltimea (lungimea). Diametrul schimbatorului, D, depinde de numarul de tevi iar inaltimea sau lungimea sa depinde de lungimea tevilor, l. Se constata ca apar trei marimi necunoscute:numarul de tevi, diametrul si lungimea tevilor. Doua dintre aceste marimi se adopta iar cea de-a treia se poate calculeaza.Diametrul tevilor se adopta in functie de fluidul care trece prin tevi. Daca prin tevi circula un lichid se recomanda ca diametrul interior al tevilor sa fie cuprins intre 15-30 mm iar daca prin tevi circula un gaz sau vapori se adopta diametrul in jur de 50 mm. Cea de-a doua marime care se adopta depinde de modul incare se realizeaza schimbul de

caldura intre fluidele care circula prin schimbator. Din acest punct de vedere exista doua situatii distincte: - cand cel putin unul dintre fluide nu isi modifica starea de agregare in schimbator; - cand ambele fluide isi modifica starea de agregare in schimbator. Diametrul schimbatorului se determina in functie de numarul de tevi, de pasul, t,

(distanta dintre doua tevi adiacente) si de modul de amplasare al tevilor pe placa tubulara(hexagoane sau cercuri concentrice). Daca hexagonul sau cercul exterior nu este complet,determinarea diametrului se face grafic. Pentru schimbatoarele la care toate hexagoanele sau cercurile sunt complete, diametrul se poate determina prin calcul. Lungimea tevilor schimbatoarelor multitubulare nu trebuie sa depaseasca 6 m. Daca lungimea tevilor care rezulta din calcule este mai mare, se folosesc diferite variante constructive de schimbatoare cu tevi. O astfel de varianta este si schimbatorul de caldura cu mai multe mersuri. In acest schimbator fluidul care circula prin tevi parcurge spatiul tubular de mai multe ori, intr-un sens si in sensul opus. Dirijarea fluidului printr-o fractiune din numarul total al tevilor se face cu ajutorul unor pereti despartitori etansi din capacele schimbatorului. In figura 2.3 este prezentat un schimbator cu patru mersuri.Figura 2.3 Schimbator de caldura cu patru mersuri Numarul de mersuri nu poate fi prea mare, deoarece cresterea numarului de tevi pe placile tubulare duce la cresterea diametrului mantalei si implicit a sectiunii de curgere prin spatial intertubular, ceea ce conduce la scaderea vitezei, cu consecinte nefavorabile asupra valorii coeficientului individual de transfer de caldura. Pentru imbunatatirea transferului de caldura intre fluidul care circula prin manta si tevile fasciculului se monteaza, in spatial intertubular, sicane transversale sau elicoidale. Acestea dirijeaza fluidul perpendicular pe tevi, ceea ce imbunatateste transferul de caldura. Daca lungimea calculata a tevilor este prea mare astfel incat ar rezulta un numar inacceptabil de mare de mersuri, se folosesc mai multe schimbatoare de caldura cu un singur mers, legate in serie,intocmai ca si schimbatoarele de caldura cu tevi coaxiale .

c.Schimbătoare de căldură cu ţevi coaxiale Aceste schimbatoare sunt alcatuite din mai multe elemente identice legate in serie.Un element este format din doua tevi concentrice, teava exterioara fiind inchisa la capete siprevazuta, la capete, cu doua racorduri pentru intrarea si iesirea unuia dintre fluidele carecircula prin schimbator.

Asamblarea elementelor se poate face prin legaturi fixe

(sudare)sau prin legaturi demontabile utilizand: flanse, mufe, piulite olandeze, s.a. (fig.3.1). Dimensionarea acestor schimbatoare presupune calculul numarului de elemente, ne, din suprafata de transfer de caldura.Lungimea unui element, le, se adopta iar

diametrul tevii interioare, d, se determina din ecuatia debitului de fluid care circula prin tevile interioare. Viteza fluidului necesara se calculeaza din valoarea adoptata acriteriului Reynolds.Flu Atunci cand numarul de elemente este mare, acestea se pot amplasa pe mai multe randuri. Aceste schimbatoare au avantajul ca sunt foarte simple, au o buna rezistenta la presiuni ridicate si ca suprafata lor poate fi modificata in functie de necesitati marind sau micsorand numarul de elemente. Totusi aceste schimbatoare sunt recomandate pentru debite mici de fluid, deoarece au dimensiuni de gabarit mari.Fluid 2

Fluid 2

Figura 3.1 Schimbatoare de caldura cu tevi coaxial

d.Schimbătoare de căldură cu aripioare (baterii cu aripioare)Bateriile cu aripioare se utilizeaza atat pentru constructia condensatoarelor racite cu aer

cat si pentru cea a vaporizatoarelor racitoare de aer si sunt realizate din tevi pe care se monteaza aripioarele. Constructiile rezultate sunt de tipul celor prezentate in figura 4.1.

Fig. 4.1 Baterie cu aripioareIn figura 4.2 sunt prezentate cateva detalii constructive ale bateriilor cu aripioare.

Fig. 4.2 Detalii constructive ale bateriilor cu aripioare Parametrii fizici care se por defini in vederea efectuarii calculelor termice si aerodinamice ale acestor schimbatoare de caldura sunt:

- numarul de randuri de tevi pe verticala;- numarul de randuri de tevi pe orizontala;- suprafata totala de transfer termic;- raporul dintre suprafata exterioara si suprafata interioara;- suprafata frontala in sensul de curgere a aerului;- suprafata libera de curgere a aerului.

In vederea protejarii anticorozive a mediului in care vor functiona aceste aparate (aerul atmosferic, aerul marin, aerul din diverse localuri), se realizeaza diverse tipuri de acoperiri:

- galvanizare – utilizata in cazul tevilor si nervurilor din otel in vederea protejarii impotriva ruginirii prin acoperire cu zinc si a asigurarii unui contact termic foarte bun;- ematare – utilizata in cazul tevilor si nervurilor din cupru,pentru acoperirea acestora cu rasini poliuretanice.

Dupa montare, bateriile sunt supuse unor probe hidraulice de etanseitate, apoi sunt uscate si deshidratate, incarcate cu azot la presiune scazuta, inchise si pastrate in vederea livrarii.Alte tipuri de serpentine sunt cele prezentate in figurile 4.3 si 4.4

Fig. 4.3 Serpentine pentru realizarea de congelatoare cu placi

Fig. 4.4. Serpentine montate intr-un schimbator de caldura de tip panou

Într-o societate intr-o continua evoluţie şi orientare spre eficienţă energetică din ce in ce mai ridicata în toate domeniile, putem observa ca un rol important în funcţionarea tehnologiilor de acest tip îl ocupa schimbatoarele de căldură, prin intermediul acestora realizându-se recuperarea căldurii din diferite procese şi reutilizarea ei în altele, astfel obţinându-se economii de energie.

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