www.referat.ro

SCHIMBATOARE DE CALDUR3.1 CLASIFICRI, TIPURI I DATE CONSTRUCTIVE

Schimbtoarele de cldur sunt aparate (utilaje) n care se realizeaz procese (operaii) de transfer de cdur ntre dou fluide. 3.1.1. CLASIFICRI Clasificarea schimbtoarelor de cldur se poate face din mai multe puncte de vedere, dintre care trei sunt mai importante: - clasificarea dup procesul principal de transfer de cldur; - clasificarea dup modul de contactare a fluidelor; - clasificare dup tipul constructiv al aparatului 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) etc II.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 fluidul 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 ( fac obiectul unui paragraf separat) 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 ( fac obiectul unui paragraf separat) 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. Ulteruior se vor discuta i alte aspecte referitoare la icanele transversale segment de cerc, precum i necesitile unor icane (benzi) oriziontalr de etanare.

n unele cazuri se utilizeaz n msnts 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 evitaq 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 parte).

3.2. DIFERENA MEDIE DE TEMPERATUR Fluxul termic schimbat ntr-un aparat de schimb de cldur,ntrre cele dou fluide de lucru, se exprim prin legea lui Newton scris cu coeficientul global de transfer de cldur dintre cele dou fluide: Q=keAe t t din aceast relaie reprezint diferena de temperatur dintre cele dou fluide i cum n general temperaturile celor dou fluide sunt variabile n lungul schimbtorului, deci i diferena lor este variabil, t trebuie s fie o diferen medie de temperatur.

3.2.1. SCHIMBTORUL DE CLDUR N CONTRACURENT n fig.10 este prezentat un schimbtor de cldur tub n tub cu ciculaie a fluidelor n contracurent, circulnd de la dreapta spre stnga, se rcete, iar fluidul rece, circulnd de la stnga la dreapta, se nclzete. Se utilizeaz urmtorii indicatori: c- fluid cald, r- fluid rece, 1- intrare i 2- ieire. Sub schimbtor este redat n principiu diagrama de variaie a temperaturilor celor dou fluide n lungul schimbtorului (n realitate variaiile nu sunt liniare) se constat c diferenele de temperatur dintre cele dou fluide este variabil n lungul schimbtorului, ea fiind maxim ( tM) la un capt al schimbtorului i minim ( tm) la cellalt capt. tM poate fi ntlnit uneori la captul rece.

Simplist, s-ar putea considera c diferena medie de temperatur este egal cu diferena dintre temperatura medie a fluidului cald i temperatura medie a fluidului rece, care este totuna cu media aritmetic a diferenelor extreme de temperatur: t = (tc1+ tc2)/2 ( tr1+ tr2)/2 ={ (tc1- tr2)+ (tc2- tr1)}/2 = ( tM + tm)/2 Aa cum se va demonstra n continuare, diferena medie de temperatur este media logaritmic a diferenelor extreme de temperatur, acestea fiind ntotdeauna mai mic dect media aritmetic. Neglijndu-se pierderile de clduc ale fluidelor ctre mediul ambiant i notndu-se cu m debitele masice i cu cp cldurile specifice izobare ale fluidelor, fluxul termic schimbat poate fi exprimat prin legea lui Newton i prin relaia calorimetric aplicat celor dou fluide:

Q = keAe t = mcCpc(tc1 tc2) = mrCpr(tr1 tr2)

3.2.2. SCHIMBUL DE CLDUR N ECHICURENT La schimbul de cldur n echicurent fluidele intr n aparat la acelai capt i circul n acelai sens, fluidul cald rcindu-se iar fluidul rece nclzindu-se. La echicurent, ntotdeuna tM corespunde captului de intrare a fluidelor, iar tm captului de ieire. Analiza diferenei medii de temperatur dintre fluide, la schimbul dee cldur n echicurent, se face asemntor ca la contracurent i se ajunge la aceeai concluzie: diferena medie de temperatur este egal cu media logaritmic a diferenelor de temperatur de la capetele schimbtorului . Diferena minim de temperatur dintre fluide, indiferent de sensurile de curgere a fluidelor, este obinuit >15oC, cu excepia aparatelor de schimb de cldur din instalaiile frigorifice, n care tm poate cobor pn la 5oC i a schimbtoarelor de cldur prin contact direct ntre fluide, n care tm poate cobor pn la 1oC Dac unul dintre fluide are n schimbtor o temperatur constant (schimb de cldur izotermic, prin vaporizarea unui lichid pur sau prin condensarea unor vapori puri), diferena medie de temperatur este aceeai, indiferent dac schimbul de cldur se realizeaz n contracurent sau echicurent (acest lucru este general valabil; se poate extinde i la curent mixt sau curent ncruciat i se ine seama de el n practic), tM i tm avnd corespunztor aceleai valori. n figura 12 este reprezentat schematic un schimb de cldur n echicurent a i un schimb de cldur n contracurent b pentru aceeai temperaturi (oC) de intrare i de ieire a fluidelor.

Pentru aceleai temperaturi, ntotdeuna diferena medie de temperatur pentru contracurent este mai mare dect cea corespunztoare echicurentului, pentru c raportul tM / tm are valori mai mici la contracurent. Pentru valorile numerice din figur, rezult: -contracurent tM / tm = 1,5; t = 246,6 oC. -echicurent tM / tm = 4; t = 216,6 oC.

Faptul c diferena medie de temperatur este mai mare la schimbul de cldur n contracurent, dect la schimbul de cldur n echicurent, constituie primul i principalul avantaj al contracurentului. Din legea lui Newton a schimbului global de cldur, se poate abserva c, pentru un flix termic dat dac t este mai mare suprafaa de schimb de cldur necesar este mai mic (consum mai mic de metal pentru realizarea schimbtorului i consum mai mic de nergie pentru pomparea fluidelor, cderile de presiune fiind reduse; Ae = Q/ke t Schimbul de cldur n contracurent, n raport cu cel n echicurent, prezint i un al doilea avantaj interesant din punct de vedere practic. Cu toate c prezint dezavantajele amintite, schimbul de cldur n echicurent este ntlnit uneori n practic i anume atunci cnd se urmrete o temperatur maxim a tuburilor mai redus (rezistena mecanic mai mare i dilatarea mai mic) sau eventual a temperatur minimmai ridicat. Pentru exemplificare, pe baza temperaturilor din fig.12, admindu-se pentru simplificare rezistenele termice pentru cele dou fluide egale (temperatura local a peretelui tubului este egal cu media aritmetic a temperaturilor fluidelor) se poate constata urmtoarele: -echicurent stnga tp = 300 oC. dreapta tp = 300 oC. -contracurent stnga tp = 200 oC. dreapta tp = 350 oC. Temperatura peretelui tubului (tp) are deci valoarea mexim pentru echicurent 300 oC iar pentru contracurent 350 oC .Temperatura maxim a tubului poate fi ntlnit la echicurent fie la captul de intrare a fluidelor, fie la cel de ieire

3.2.3.SCHIMBUL DE CDUR N CURENT MIXT Marea majotitate a schimbtoarelor de cldur utilizate n industrie sunt aparate cu un singur pas n manta ( majoritatea transferului de cldur n manta se realizeaz prin introducerea de inane transversale) i cu dou sau patru pasuri (treceri) n tuburi. Foarte rar pot fi ntlnite aparate cu dou pasuri n manta i patru pasuri n tuburi, n acest cazrealizndu-se global contracurent (un fluid circul de sus n jos, iar cellalt de jos n sus). Dac numrul de pasuri n manta este egal cu numrul de pasuri n tuburi, de exemplu, 2-2, atunci se realizeaz contracurent pur. n fig.13 sunt prezentate cteva scheme de schimb de cldur n curent mixt. Metoda recomandat n literatur, pentru stabilirea diferenei medii de temperatur dintre fluide , la schimbul de cldur n curent mixt, const n calcularea diferenei medii de temperatur corespunztoare contracurentului i corectarea acesteia cu un factor de corecie specific : t = F tcontr.

Factorul de corecie se citete din diagrama corespunztoare tipului de curent mixt, n funcie de urmtorii parametri: P = (tr2 tr1 )/ (tc1 tr1 ) i R =(tc1 tc2 )/ (tr1 tr1 ) n care : P are valori cuprinse ntre 0 i 1, R valori sub i supraunitare, iar F 1. n fig.14 este redat principala diagonal a factorului de corecie pentru diferene medie de temperatur, diagrama corespunztoare schimbtoarelor 1-2 (4).

3.2.4.SCHIMBUL DE CLDUR N CURENT NCRUCIAT n unele aparate sau sisteme de transfer de cldur practice ( secia de convecie a unui cuptor, rcire cu aer, prenclzitoare cu aer etc.) se ntlnesc schimburi de cldur n curent ncruciat simplu sau n contracurent ncruciat (fig.16)

Schema a reprezint un schimb de cldur n curent ncruciat simplu. Un fluid circul de la stnga la dreapta, n paralel prin toate tuburile unui fascicul, iar cellalt fluid circul ascendent printre tuburile fascicului. ntotdeuna, fluidul care circul transversal pe un fascicul de tuburi sufer o amestecare, cauzat de turbulena ce se produce. Schema b reprezinta un schimb de cldur n contracurent ncruciat un fluid circul ascendent prin interiorul tuburilor iar cellalt fluid circul descendent, transversal pe fasciculul de tuburi i pe dou pasuri. Schema c reprezint tot un schimb de cldur n contracurent ncruciat. Un fluid circul ascendent peste trei iruri orizontale de tuburi, iar cellalt fluid circul prin interiorul tuburilor, descendent de la un ir la altul. Circulaia fluidului din tuburi n plan orizontal (ntr-un ir de tuburi) n ambele sensuri nu are influien asupra diferenei medii de temperatur importante sunt cele trei iruri de tuburi, care reprezint ncruciri la niveluri de temperatur diferite ale fluidului exterior. n astfel de cazuri, numrul de ncruciri este egal cu numrul de iruri de tuburi Dac, spre exemplu, un rcitor cu aer este prevzut cu 6 iruri de tuburi fluidul interior circulnd n paralel prin tuburile de pe dou iruri, se realizeaz global 3 ncruciari La un schimbtor de cldur n contracurent (cu un pas n manta i un pas n tuburi), prevzut n manta cu icane transversale, neglijndu-se curgerile orizontale n raport cu cele transversale, se poate considera c schembul de cldur se realizeaz n contracurent ncruciat, numrul de ncruciri fiind egal cu numrul de icane plus unu. La schimbul de cldur n curent ncruciat, diferena medie de temperatur dintre fluide se poate calcula cu relaia ntlnit la curentul mixt: t = F tcontr. n care F este funcie de parametrii P i R definii anterior. Pentru un numr mai mare de ncruciari, se recomand relaia: FN = F11lN

n care F1 se refer la curent ncruciat simplu, iar N reprezint numrul de ncruciari (F crete, cu creterea lui N ). 3.3.TEMPERATURI CALORICE SI REZISTENELE TERMICE ALE DEPUNERILOR 3.3.1. COEFICIENII GLOBALI DE TRANSFER DE CLDUR PRACTICI La scgimbtoarel de cldur aflate n exploatare, coeficienii globali de transfer de cdur, cu care lucreaz practic schimbtoarele, pot fi stabilii cu ajutorul legii lui Newton: Ked = Q/Ae t Valorile Ked sunt mai mici dect valorile stabilite cu relaia dedus n capitolul Procese de transfer de cldur (coeficientul global de transfer de cldur ntre dou fluide separate de un perete cilindric, exprimat pe unitatea de arie exterioar): Ke = 1/ [de/ IdI + de/2 ln de/dI + 1/ e] n care: este coeficientul parial de transfer de cldur pentru fluidul din interiorul tuburilor, e pentru fluidul din exteriorul tuburilor (din manta), iar conductivitatea termic a peretelui tubului.

3.4.PRINCIPIILE CALCULUILUI TERMIC Principalele date iniiale necesare pentru dimensionare tehnologic a unui schimbtor de cldur, sunt urmtoarele: debitul masic al unui fluid i temperaturile acestuia la intrara din aparat, iar pentru al doilea fluid temperatura de intrare i fie temperatura de evacuare, fie debitul masic. Aceste date sunt necesare pentru stabilirea sarcinii termice a schimbtorului (fluxul termic schimbat) i a mrimii necunoscute pentru al doilea fluid . Dac se d debitul celui de al doilea fluid (de exemplu, debitul de iei la un schimbtor de cldur petrol-iei dintr-o instalaie DA), trebuie s se calculeze temperatura de evacuare. Dac se fixeaz temperatura final (de exemplu, temperatura de evacuare a apei dintr-un rcitor de produs petrolier cu ap) trebuie s se calculeze debitul celui de al doilea fluid. Corelarea mrimilor amintite se face prin relaia de bilan termic cunoscut, neglijndu-se obinuit pierderile de cldur ctre mediul ambiant ( cschimbtoarele de cldur se izoleaz termic) i utilizndu-se, fie cldurile specifice medii, fie entalpiile specifice ale fluidelor: Q = mcCpc(tc1- ic2) = mc(ic1- ic2) = mrCpc(tr2- tr2) = mr(ir2- ir1) Se stabilesc remperaturile calorice ale celor dou fluide, prin metodele prezentate anterior, i se iau proprietile fizice la aceste temperaturi. n relaia de bilan termic este mai bine s se lucreze cu clduri specifice la temperatura medie aritmetic, ntre intrare i ieire, avndu-se n vedere c, de cele mai multe ori, pe intervale relativ mici de temperatur, variaia cldurii specifice cu temperatura este practic liniar.

Se fixeaz care dintre fluide circul prin tuburi i care prin manta i se presupune, pe baza recomandrilor practice, coeficientul global de transfer de cldur cu depuneri, corespunztor ariei exterioare a tuburilor ked. 3.5. SCHIMBTOARE DE CLDUR CU TRANSFORMARE 3.5.1. REFIERBTOARE Refierbtoarele sunt aparate de schimb de cldur cu fascicul tubular, prin care se realizeaz aportul de cldur la baza unor coloane de funcionare. Aportul de cldur duce la vaporizarea parial a lichidului de la baza coloanei, dar cum acest lichid este abinuit un amestec, i la o uoar cretere a temperaturii. Cldura necesar se obine prin condensare de abur, prin rcirea unei fraciuni petroliere calde etc. n cazul unor sarcini termice foarte mari sau al unor temperaturi de vaporizare mai aportul de cldur la baza coloanei se realizeaz printr-un cuptor-refierbtor, la care se consum combustibil. Refierbtoarele tip schimbtor de cldur sunt de multe tipuri contructive i funcionale, tipurile principale fiind prezentate n continuare. n fig.21 este redat schematic refierbtor termosifon vertical cu recirculare, cu legturile sale la baza coloanei de fracionare. Lichidul de pe ultimul teler al coloanei se scurge n baza coloanei, printr-un deversor care asigur i nchiderea hidraulic. n baza coloanei se menine nivelul constant de lichid, printr-un regulator de nivel care acioneaz asupra evacurii produsului de baz al colaonei. Refierbtorul este un schimbtoe de cldur cu faccicul tubular n manta, rigid i cu un singur pas n tuburi, plasat vertical i funcionnd necat (refierbtorul i baza coloanei sunt vase comunicante; captul superior al tubului se afl la nivelul lichidului din coloan). Prin spaiul intertubular al refierbtorului circul agentul de nclzire (de exemplu, abur saturat care condenseaz; evacuarea condensului se face printr-o oal de condens, care asigur nchiderea hidraulic).debitul de agent de nclzire este reglat de un regulator de temperatur, care asigur o temperatur constant pentru lichidul din baza coloanei. O parte din baza coloanei circul natural (prin termosifonare), prin tuburile refierbtorului, are loc o vaporizare parial i amestecul de lichid i vapori reintr n colan, n care are loc separarea fazelor. Refierbtorul prezentat este cu recirculare, pentru c o parte din lichid reintrat n coloan poate ajunge din nou n tuburile refierbtorului. DE FAZ

Pe o nlime egal cu lungimea tuburilor, n partea stng a sistemului se afl o coloan de lichid, iar n partea dreapt a vaselor comunicante (n tuburi) un amestec de lichid i vapori cu densitate medie mai mic. Termosifonarea, circulaia natural cauzat de reducerea densitii prin nclzirea i vaporizarea parial a lichidului de pe un bra al vaselor comunicante, const n apariia unei diferene de presiune activ, exprimat prin relaia: pactiv = hg( lichid - amestec) n care h=L ete lungimea tuburilor. Debitul de lichid care se vaporizeaz este determinat de fluxul termic schimbat iar debitul de lichid care intr n refierbtor (circulaia lichidului i amestecului lichid-vapori prin refierbtor i conductele de legtur) de condiia: prezistent = pactiv Diferena de presiune rezistent este suma tuturor cderilor de presiune din circuit (cauzate de frecare la curgerea prin conductele de legtur i tuburi; cderile de presiune locale cauzate de schimbarea direciei de curgere i a seciunii de curgere; diferena de presiune cauzat de accelerare) Coeficientul de recirculare reprezint raportul dintre debitul masic de lichid care intr n refierbtor i debitul masic de vapori rezultai. Dimensionarea refierbtoarelor se face pentru valori ale coeficientului de recirculare cuprinse ntre 4 i 10 (fracia masic a vaporilor n amestecul final 0,1-0,25).

Definiia utilizat pentru coeficientul de recirculare este preluat de la vaporizatoarele totale. Mai logic ar fi definirea coeficientului de recirculare prin raportul dintre dibitul care alimenteaz refierbtorul i debitul care se scurge prin deversor. n funionarea refierbtoarelor, coeficientul de recirculare se autoregleaz astfel nct s se ndeplineasc condiia anterioar. Plasndu-se ct mai jos racordul pentru evacuarea condensului din manta, se neglijeaz prezena stratului de condens din partea inferioar a mantalei. Nivelul de lichid n baza coloanei este ordinul 0,5 1 m. Intrarea amestecului n coloan se face la 0,3 0,4 m deasupra nevelului de lichid i de 0,6 0,9 m sub taler. n figura 22 este redat schema unui refierbtor termosifon orizontal fr recirculare. n acest caz, vaporizarea lichidului, tot parial, se realizeaz n mantaua refierbtorului. Dac se lucreaz fr recirculare (refierbtoarele termosifon verticale sau orizontale pot fi realizate cu sau fr recirculare), refierbtorul este alimentat, fie direct din deversor, fie dintr-un compartiment realizat la baza coloanei i alimentat de deversor. Se constat c lichidul din amestecul evacuat nu mai poate reveni n refierbtor. Debitul de lichid care alimanteaz refiebtorul este constant i egal cu debitul deversat de pe taler, acest lichid trecnd o singur dat prin refierbtor. Refierbtoarele termosifon fr recirculare nu sunt recomandabile pentru debite foarte mari de vaporizat, n raport cu debitul de produs de baz al coloanei. La acest refierbtoare nu se utilizeaz noiunea de coeficient de recirculare, ci numai fracia masic a vaporizatului din amestec, care obinuit este mai mare dect la refierbtoarele cu recirculare.

Refierbtorul orizontal poate fi rigid, cu cap flotant sau cu tuburi U i cu dou sau patru pasuri n tuburi. n manta, pentru tuburi de lungime mare, se poate lucra cu flux scindat sau dublu scindat i cu una sau dou intrri i ieiri. Nivelul de lichid din compartimentul de deversare se autoregleaz, astfel nct diferena de presiune rezistent s fie egal cu diferena de presiune activ.

Dac n mantaua refierbtorului se utilizeaz o ican de scindare, de prezena acesteia se ine seama numai la calculul cderii de presiune. Cderea de presiune a amestecului de lichid i vapori din manta se poate calcula simplu astfel (cnd exist o sican de scindare, care mbuntete contactul vapori-lichid: p = f( w)2/2 * L/dh ; Re = dh(( w)/

n figura 23 este redat schema unui refierbtor cu spaiu de vapori. Acesta lucreaz fr recirculare i se caracterizeaz prin faptul c separarea fazelor se face refierbtor i nu n coloan. Mantaua refierbtorului conine n partea inferioar un fascicul de tuburi, care ocup o nlime mai mic dect diametrul mantalei. Tuburile sunt susiunute obinuit prin plci suport n form de sfert de cerc. Placa deversoare, care etanesz pe manta i care are o nlime ce depete cu 5 cm nlimea fascicului, delimiteaz camera lichidului care se evacueaz din refierbtor (produsul de baz al coloanei), prin intermediul unui regulator de nivel. Diferena ntre cele dou nivele de lichid din refierbtor de fixeaz la aproximativ 10 15 cm.

Refierbtoarele cu spaiu de vapori sunt constructiv mai complicate i nu lucreaz cu presiuni prea ridicate. Circulaia prin refierbtor se realizeaz prin termosifonare i numai n caz excepional, la lichide foarte vscoase se introduce o pomp care mpinge lichidul din baza coloanei n refierbtor. Nivelul de lichid fixat de deversor trebuie s se afle cu 20 30 cm deasupra prii inferioare a coloanei. Nivelul de lichid din coloan se autoregleaz, astfel nct s se asigur echilibrul diferenelor de presiune: (l lichid, v vapori; a amestec n condiii medii) din relaie se afl h ,de care depinde poziia conductei de vapori. Diferena de presiune rezistent conine: p pe conducta de vapori i p pentru accelerare ( p n refierbtor este neglijabil).

h ( l a) + h

g

( l v) = prezisten

n figura 24 este readat schema unui refierbtor interior orizontal. Acesta const ntr-un fascicul tubular plasat n stratul de lichid din baza coloanei, al crui nivel se menine constant. Refierbtoarele interioare se utilizeaz n cazul sarcinilor termice mici i al coloanelor de diametru mare. Ele se utilizeaz n prezent i la stripere de fraciuni petroliere, la care s-a renunat la scriparea direct cu abur ( se reduce consumul de abur; scade sarcina condensatorului de la vrful coloanei). Aportul de cldur se realizaaz prin intermediul unei fraciuni petroliere calde.

3.5.2. VAPORIZATOARE Vaporizatoerele discutate n cele ce urmeaz, care au numeroase aspecte comune cu refierbtoarele, sunt aparate de schimb de cldur, cu fascicul n manta, n care prin aport de cldur se realizeaz voporizarea unui lichid n majoritatea cazurilor pur. Nu este corect ca aceste aparate s se numeasc evaporizatoare, pentru c prin evaporare se nelege vaporarea unui lichid n prezene unui gaz, vaporizarea avnd loc numai la interfaa lichid-gaz i la o temperatur mai mic dect temperatura de fierbere corespunztoare a presiunii totale. Majoritatea vaporizatoarelor sunt, fie generatoare de abur cu rol de recuperatoare de cldur, fie rcitoare sau condensatoare cu ageni frigorifici (etilen, propan, amonic etc.), n care agentul frigorific se vaporizeaz izotermic.

Vaporizatoarele cu fascicul tubular n manta sunt de multe tipuri constructive i funcionale, tipurile principale fiind cele prezentate n continuare n figura 25 este redat schema unui vaporizator vertical termosifon, cu vaporizatoare n manta n manta i separator exterior. Alimentarea cu lichid se face n vasul separator, printr-un regulator de nivel prin spaiul intermediar al vaporizatorului circul prin terosifonare lichidul din separator, care se vaporizeaz parial, amestecul lichid-vapori revenind n separator. La circulaia prin terosifonare, separatorul se plaseaz mai sus dect vaporizatorul. Dimensionarea vaporizatorului se face pentru un coeficient de recirculare de ordinul 4 10 ( la o trecere, fracia masic a vaporizatorului este 0,1 0,25). Din separator se evacueaz vapori saturai, obinuit prin intermediul unui demister care reine picturile antrenante. De multe ori, evaporarea vaporilor se face printr-un regulator de presiune. Vaporizatorul este cu vaporizare total, pentru c ntregul debit de lichid introdus este vaporizat. Exist i vaporizatoare cu pomp de reciclare a lichidului prin vaporizator. Fluidul de nclzire circul prin interiorul tuburilor vaporizatorului.

Astfel de vaporizatoare se ntlnesc, de exemplu, n instalaii de piroliz, pentru generare de abur cu cldur recuperat, prin rcirea gazelor de piroliz evacuate din cuptor. n figura 26. Este redat schema unui vaporizator orizontal termosifon, cu vaporizare n manta i separator exterior. n manta poate fi utilizat o ican de scindare. Astfel de vaporizatoare se ntlnesc frecvent la rciri sau condensri cu agent frigorific, acesta voporndu-se parial (la o trecere) n mantaua vaporizatorului . Ele por fi

utilizate i ca generatoare de abur ca de exemplu n instalaiile de anhidrid maleic i anhidrid ftalic, prin recuperare de cldur din eflueni.

n figura 27 este redat schema unui vaporizator nclinat termosifon n tuburi i separator exterior. Pentru a se uura circulaia prin termosifoane, vaporizatorul este nclinat cu 15o fa de orizontal, iar intrarea fluidului cald se face n partea superioar a tuburilor (vaporizare local mai intens). Astfel de vaporizatoare se ntlnesc n multe sisteme frigorifice, ca de exemplu pentru rcire de sol cu agent frigorific NH3, n instalaia de oxid de etilen i glicoli n figura 28 este redat schema unui vaporizator orizontal cu spaiu de vapori. Acesta se caractetizeaz prin faptul c separarea vaporilor se face chiar n mantaua vaporizatorului. n unele sisteme frigorifice se ntlnesc i vaporizatoare cu spaiu de vapori duble, n sensul c n aceeai manta sunt plasate cap la cap dou fascicule de tuburi, prin care circul fluide diferite care se rcesc.

Vaporizatoarele cu spaiu de vapori se utilizeaz i ca generatoare de abur prin recuperare de cldur, ca de exemplu n instalaii de piroliz ( n circuit nchis, difilul rcete gazele de pirolin i apoi genereaz abur) i n instalaiile de anhidrid ftalic i anhidrid maleic ( n acest ultim caz se utilizeaz ca agent sruri topite, care transport cldur din reactor). n unele cazuri, att la sisteme frigorifice, ct i la generri de abur, mai multe vaporizatoare pot fi deservite de un singur separator. Dac la rcirea unui fluid, care circul prin tuburile unui schimbtor de cldur, se dorete meninerea unei tempetaturi constante la ieire, rcirea fiind realizat cu un lichid care se vaporizeaz n manta (ap, agent frigorific), se poate lucra cu nivel de lichid n manta ( cu separarea fazelor). Acest nivel fiind variabil. n zona de lichid are loc un transfer de cldur intens (prin fierbere), iar n zona de vapori transferul de cldur este redus (uoar supranclzire a vaporilor). Impulsul se temperatura de la evacuarea fluidului rcit camand nivelul necesar al lichidului din manta, iar acesta debitul de lichid care intr n manta, modificndu-se astfel fluxul termic schimbat. Toate vaporizatoarele prezentate anterior sunt ca vaporizare total. Se ntlnesc ns i vaporizatoare cu vaporizare parial ( din separator se evacueaz n exterior, att vapori ct i lichid), ca de exemplu concentratoarele de soluii din industria chimic. 3.7.SCHIMBTOARE DE CLDUR PRIN CONTACT DIRECT n industria petrochimic i n unele domenii colaterale se ntlnesc diverse produse i aparate de transfer de cldur prin contact direct ntre dou fluide, dintre care cele mai importante sunt eumerate n cele ce urmeaz. n instalaiile tehnologice i n centralele de termoficare anexate combinatelor se ntlnesc fregvent turnuri de rcire a apei de recirculare. n aceste aparate, apa cald provenit de la rcitoare i condensatoare este rcit prin contact direct cu aerul atmosferic, n contracurent n unele instalaii se utilizeaz pentru rcirea unor eflueni gazoi coloane de rcire cu ap, prin contact direct n contracurent. Coloanele sunt prevzute cu umplutur i pe lng rcirea gazelor, pot realiza eventual i absorbia sau condensarea unor componeni. Condensarea vaporilor de ap dintr-un amestec abur-gaze necondensabile se poate face prin contact direct cu apa. Astfel de procese se ntlnesc obinuit la sistemele sub vid, aparatele corespunztoare fiind condensatoare barometrice de amestec. Rcirea unor fraciuni petroliere se poate face prin contact direct cu apa, fraciunea petrolier fiind dispersat n picturi, care se deplaseaz ascensional printr-o coloan de ap, apa circulnd n contracurent cu o vitez foarte mic. Se mai cunosc i alte procese de transfer de cldur prin contact direct ntre dou lichide nemiscibile, n care caz au loc i transformri de faz. Un procedeu de obinere a apei industriale din ap de mare const n introducerea nt-un ulei fierbinte a picturilor de ap, care se vaporizeaz, srurile depunndu-se pe stratul de ulei. Solidificarea bitumului sub form de granule se poate obine prin scurgerea bitumului cald din instalaie, n picturi, ntr-o coloan de ap. n toate aparatele de transfer de cldur prin contact direct apar i procese de transfer de mas, de mai mic sau de mai mare importan.