UNIVERSITATEA TEHNICA “GH. ASACHI” IASIFACULTATEA DE MECANICA

PROIECTSCHIMBATOR DE CALDURA APA-APA

COORDONATOR: STUDENT:

ANUL UNIVERSITAR 2011/2012

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.

TEMA PROIECTULUI:

Sa se intocmeasca bilantul energetic al unui schimbator

de caldura orizontal apa-apa, in contracurent, cu suprafata de

schimb de caldura .

Fluidul primar circula prin tevi, iar cel secundar in spatiul

dintre tevi si manta.

Se admite temperatura mediului ambiant T0=293 K.

Figura nr. 1

Marimile masurate in vederea determinarii elementelor bilantului terminc sunt prezentate in tabelul de mai jos:

Marimi masurate in vederea intocmirii bilantuluiTabelul 1

Nr.Crt.

Marimea Simbol U.M. Valoarea Aparatul de masurat utilizat

12

3

4

5

67

8

9

10

Debitul de apafierbinteTemperatura agentului primar la intrarePresiunea agentului primar la intrareTemperatura agentului primar la iesirePresiunea agentului primar la iesireDebitul de apa receTemperatura agentului secundar la intrarePresiunea agentului secundar la intrareTemperatura agentului secundar la iesirePresiunea agentului secundar la iesire

kg/s

°C

bar

°C

barkg/s

°C

bar

°C

bar

24

95

7.8

70

7.3126.5

53

3.4

72

3.08

Diafragma+manometru diferentialTermometru cu HgManometru industrial

Termometru cu Hg

Manometru industrialDiafragma+manometru diferentialTermometru cu HgManometru industrial

Termometru cu Hg

Manometru industrial

Bilantul energetic al unui schimbator de caldura apa-apa

Să se întocmească bilanţul energetic al unui schimbator de căldură orizontal apa-apa în

contracurent, cu suprafaţa de schimb de căldură .Fluidul primar circulă prin ţevi iar cel secundar in spaţiul dintre devi si mantă.

Se admite temperatura mediului ambiant

Datele de construcţie a schimbatorului

a) Numărul de tronsoane

b) Numarul de ţevi pe tronson

c) Lungimea unui tronson

d) Diametrul interior si diametrul exterior

e) Diametrul interior al mantalei

f) Grosimea peretelui mantalei

g) Secţiunea de trecere a fluidului prin ţevi

h) Secţiunea de trcere a fluidului intre ţevi

Mărimi măsurate in vederea intocmirii bilanţului

1. Debitul de apă fierbinte

2. Temperatura agentului primar la intrare

3. Presiunea agentului primar la intrare

4. Temperatura agentului primar la ieşire

5. Presiunea agentului primar la ieşire

6. Debitul de apă rece

7. Temperatura agentului secundar la intrare

8. Presiunea agentului secundar la intrare

9. Temperatura agentului secundar la ieşire

10. Presiunea agentului secundar la ieşire

11. Suprafaţa de schimb de căldură

Calculul elementelor Bilanţului Termic

1. Entalpia agentului primar la intrare

2. Entalpia agentului primar la ieţire

3. Entalpia agentului secundar la intrare

4. Entalpia agentului secundar la ieşire

5. Entropia agentului primar la intrare

6. Entropia agentului primar la ieşire

7. Entropia agentului secundar la intrare

8. Entropia agentului secundar la ieşire

9. Debitul de căldură cedat

10. Debitul de căldură primit

11. Debitul de căldură pierdut în mediul ambiant

12. Difereţa medie de temperatură12.1 Diferenţa maximă de temperatură

12.2 Diferenţa minimă de temperatură

12.3 Diferenţa medie de temperatură

13. Coeficientul de reţinere a căldurii

14. Coeficientul Global de schimb de căldură pentru aparatul in funcţiune

15. Temperatura medie a agentului secundar

16. Temperatura medie a agentului primar

17. Densitatea medie a agentului primar

18. Densitatea medie a agentului secundar

Pentru proprietăţile apei avem ca referinţă bibliografia site-ului de mai jos:

http://www.peacesoftware.de/einigewerte/wasser_dampf_e.html

19. Văscozitatea medie a agentului primar

20. Văscozitatea medie a agentului secundar

21. Viteza de curgere a agentului primar

22. Numărul Reynolds pentru agentul primar

23. Coeficentul de convecţie pe partea fluidului primar

24. Viteza de curgere a agentului secundar

25. Diametrul hidraulic echivalent pe partea agentului secundar

26. Numărul Reynolds pentru agentul primar

27. Coeficentul de convecţie pe partea fluidului secundar

28. Temperatura medie a peretelui ţevii

29. Conductivitatea peretelui ţevii

30. Coeficentul global de schimb de căldură al aparatului curat

31. Rezistenţa termică a depunerilor

32. Eficienţa procesului de încălzire

33. Randamentul Termodinamic

34. Eficienţa Termică

35. Exergia agentului Primar la intrare

36. Exergia agentului Primar la ieşire

37. Exergia agentului secundar la intrare

38. Exergia agentului secundar la ieşire

39. Exergia cedată de fluidul primar

40. Exergia primită de fluidul secundar

41. Pierderile de exergie

42. Randamentul Exergetic

Elementele bilantului energetic si exergetic real:

Tabelul 2

Nr.Crt.

Marimea Valoareakw

%

123

456

Bilant energetic:Cantitatea de caldura cedata Q1

Cantitatea de caldura primita Q2

Pierderile de caldura Qp

Bilantul exergetic:Exergia cedata, ΔE1

Exergia primita, ΔE2

Pierderile de exergie, ΔEp

25192015,76413,2

444,936267,358177,578

100 80,02 19,98

100 60,07 39,93

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 diametre 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.

Fig. 1.4 Tevi cu miez in forma de stea 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

2.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 tubulare