JU I SREDNJA ŠKOLA ‘’Dr. Husein Džanić’’ Velika Kladuša

MATURSKI RADTema: Montiranje uređaja za izmjenjivače širina medija topline za

otvoreni sistem

Mentor: Begzadić Kiram dipl.ing.maš. Učenik: Balić Samir

V. Kladuša april 2010. god.

1

1. Uvod

Toplota sa toplijeg tijcla prelazi na hladnije. Toplota prodire kroz sve materijale. Postoje materije koje loše provode toplotu (izolatori) i materije koje dobro provode toplotu (provodnici ili konduktori).

Prenošenje toplote od izvora i toplijih tijela na okolinu i na hladnija tijela može se vršiti: provođenjem, prenošenjem ili konvekcijom i zračenjem.

Izmjena toplote provođenjem se vrši kada se energija provodi direktnim kontaktom između molekula jednog tijela ili između molekula više tijela koji su u termičkom kontaktu. I u jednom i u drugom slučaju molekuli predaju svoju energiju susjednim molekulima. Prenošenje energije sa jednog na drugi molekul je slično kaokod kuglica na bilijarskoj tabli gdje se udarac prenosi s jedne kugle na drugu.

Količina provedene toplote u jedinici vremena je direktno proporciojonalna razlici temperature, a obrnuto proporcijonalna debljini zida.

2

2. Izmjenjivači topline

Izmjenjivai topline koriste se za prijenos topline od jednog fluida na drugi, kada nije potrebna transformacija energije (npr. kod daljinskog grijanja). Ti uređaji naješe se sastoje od snopa cijevi kroz koje protjee jedan fluid, dok drugi fluid protjee s vanjske strane cijevi kroz taj snop. U njima se može vršiti zagrijavanje, hlađenje, isparavanje ili ukapljivanje fluida. Široko podruje primjene izmjenjivaa uslovilo je mnoge i razliite njihove konstrukcije.

I parni kotlovi bi bili u stvari izmjenjivači toplote pošto se i kod njih toplota prenosi sa vrelih gasova na zidove kotla, te otuda i na vodu s druge strane zida. Izmjenjivači toplote su aparati u kojima se toplota prenosi (konvekcijom) sa jednog fluida na drugi. Pri ovome postoje dvije mogućnosti: ili su fluidi razdvojeni jedan od drugog grejnom površinom te se kroz njih vrši toplotna razmena, ili se fluidi direktno mešaju. Potrebno je razlikovati zagrijani fluid koji odaje toplotu i koji ćemo nazivati grijni fluid, i hladniji fluid, onaj koji treba grijati, grijani fluid.

S obzirom na fizičko stanje fluida između kojih se vrsi toplotna razmena moguće je: da i grijni i grijani fluid bude tečni, da oba budu gasovita i da jedan bude tečan a drugi gasovit.

Od konstrukcije nekog izmjenjivača toplote zahtijeva se da se toplotna razmena izvrši što potpunije, uz što manji utrošak materijala i uz što manju potrošnju energije, koja se upotrebljava za prinudno strujanje fluida kroz izmjenjivač. Najvažniji dio, a i najskuplji, na izmjetijivaču toplote je grijna površina. Od njene veličine zavisi kolika će biti cijela aparatura.

Grijna površina, odnosno zid kroz koji se toplotna razmena vrši, radi što boljeg provođenja toplote treba da je napravljena od materijala koji ima veliki koeficijent provođenja toplote (bakar ili čelik).

Da bi se dobila što veća površina za toplotnu razmenu koja će moći da izdrži i potrebne pritiske najčešće se upotrebljavaju cijevi, koje zbog svog cilindričnog oblika mogu zadovoljili i drugi uslov. U cilju povećanja ukupne grijne površine radi se obično sa većim brojem paralelno postavljenih cijevi. Pri tome jedan fluid koji učestvuje u toplotnoj razmeni protiče kroz cijevi, a drugi teče oko cijevi. U normalnim slučajevima cijevi su tako povezane da fluid pri prolazu kroz razmenjivač paralelno kroz njih protiče samo u jednom pravcu.

Ako je potrebno da se fluid zagrije na višu temperaturu, tada se cijevi međusobno povezuju podesno postavljenim pregradama u cijevne grupe (slika 1). Iz šeme se jasno vidi da u prvom slučaju čestice fluida prolaze samo jedanput kroz izmjenjivač. U drugom slučaju fluid više puta protekne s jednog na drugi kraj izmenjivača.

3

Slika 1. Šema izmjenjivača topline: 1- doboš, 2 – cijevna zmija, A i B – ulaz i izlaz gasovitog fuida, C i D – ulaz i izlaz tečnog fluida

Za uslove prenošenja toplate nije svejedno koji je sistem od ova dva u pitanju. U prvom slučaju fluid prolazi kroz presjek koji odgovara zbiru preseka svih šest cijevi. U drugom slučaju ukupan presjek koji kroz fluid protiče je tri puta manji, jer mora da protekne samo kroz presjek dvije cijevi, paralelno postavljene. Pošto u istom vremenu kroz izmenjivač prolaze iste količine fluida, na osnovu jednačine kontinuiteta brzina fluida pri prolazu kroz prvi izmjenjivač biće tri puta manja od brzine u drugom izmjenjivaču toplote. Pošto debljina graničnog sloja zavisi od brzine kretanja fluida, to će u prvom tipu izmenjivača granični sloj biti deblji "nego u drugom. Posto koeficijent prelaza toplote zavisi od debljine graničnog sloja, i to tako što sa smanjenjem debljine graničnog sloja njegova vrijednost raste, u prvom slučaju će koeficijent prelaza toplote bili manji nego u drugom.

S obzirom na toplotnu stranu prvi tip je nepovoljniji. Međutim, posmatran sa hidraulične strane ovaj problem dovodi do zaključka da će u prvom slučaju otvori pri proticanju fluida bili manji (pošto rastu sa kvadratom brzine) nego u drugom slučaju, što znači da se mora utrošiti za prvi slučaj manja količina energije za pokretanje fluida (slabija pumpa) nego u drugom slučaju.

Također možemo reći da kod naizmeničnog vezivanja cijevi koeficijent prelaza toplote je veći, i potrošnja energije je veća, dok je kod paralelnog vezivanja manji ali je potrošnja energije za kretanje fluida manja. Ako se radi sa velikim količinama fluida onda se obično upotrebljavaju izmenjivači toplate sa paralelnim cijevima, dok su za male količine fluida podesniji izmjenjivači sa naizmjeničnim vezivanjem.

3. Osnovna podjela izmjenjivača

U osnovi postoji nekoliko tipova (vrsta) izmjenjivača topline, ovisno o postojanju razdjelne stijenke između toplije i hladnije struje.

Izmjenjivači topline kod kojih su struje (fluidi) razdvojeni međusobno čvrstom stijenkom nazivaju se rekuperativnim izmjenjivačima ili, kraće, rekuperatorima. Razdijelna stijenka je rashladna, odnosno ogrjevna površina, koja može biti cijevnog ili pločastog oblika. S obzirom na konstruktivnu izvedbu rekuperatori mogu biti različito izvedeni. Jednu od izvedbi prikazuje slika 2.

4

Slika 2. Kombinirani rekuperativni izmjenjivač topline

Prikazani izmjenjivač sastoji se od snopa cijevi koji je umetnut u bubanj (plašt). Kroz cijevi struji hladnija struja koja se zagrijava, a u prostoru oko cijevi struji toplija struja koja se hladi prolaskom kroz izmjenjivač. Razdijelne stijenke ili površine na kojima se izmjenjuje toplina jesu cijevne stijenke.

Osim rekuperativnih izmjenjivača topline postoje i tzv. regenerativni izmjenjivači ili regeneratori. Shematski prikaz jednog od regeneratora prikazuje sl. 3. Preko mase izrađene od žice u obliku saća, koja polagano rotira na vertikalnoj osovini, s jedne strane struji topliji fluid i predaje toplinu rotirajućoj masi koja ju akumulira. S druge strane preko tako zagrijane mase struji hladniji fluid koji preuzima na sebe ovu akumuliranu toplinu i pri tome se zagrijava.

Slika 3. Regenerativni izmjenjivač topline

Osim rekuperativnih i regenerativnih postoje i direktni izmjenjivači topline. Izmjena topline između struja odvija se direktnim kontaktom struja u mješalištu. Npr. direktnim miješanjem vode i vodene pare može se sniziti pregrijanje ili postići kondenzacija pare. Isto

5

tako sabirnici kondenzata nekog postrojenja predstavljaju primjer direktnog izmjenjivača topline.

Osnovni su tipovi izmjenjivača oni kod kojih svaka od struja prolazi samo jedanput kroz promatrani izmjenjivač.

Njihova je podjela prema međusobnom strujanju fluida kroz izmjenjivač, te prema tom kriteriju osnovni tipovi izmjenjivača mogu biti:

a) istosmjerni izmjenjivači topline,b) protusmjerni izmjenjivači topline,c) unakrsni izmjenjivači topline.

Istosmjerni izmjenjivači topline su takvi izmjenjivači kod kojih su struje međusobno paralelne i teku u istom smjeru. Takav izmjenjivač shematski prikazuje slika 4.

Slika 4. Istosmjerni izmjenjivač

Kod protusmjernog izmjenjivača, slika 5, struje teku također međusobno paralelno, ali u suprotnim smjerovima.

Slika 5. Protusmjerni izmjenjivač

Kod unakrsnog izmjenjivača topline, slika 6, struje se međusobno križaju (ukrštaju). Osim osnovnih tipova, postoje najčešće u praksi kombinirani izmjenjivači topline. Naime, oni su formirani najčešće od svih triju osnovnih tipova.

6

Slika 6. Unakrsni izmjenjivač

4. Primjena izmjenjivača topline

Posredno grijanje je sistem centralnog grijanja u kojem se toplonoša grijnih tijela ne zagrijva direktno u kotlu nego posredno preko drugog sredstva za prenošenje toplote. Ono se upotrebljava u slučajevima kad se toplonoša iz bilo kojeg razloga ne može upotrebiti za neposredno zagrivanje grijnih tijela. Tako, na primer, ako se u nekoj fabrici proizvodi para visokog pritiska za proizvodne svrhe, a ako treba grijati stambene zgrade, jasle i sl., tada se ova para iz higijenskih razloga ne može upotrebiti za direktno zagrijvanje grijnih tijela, nego će se njena toplota predati preko razmjenjivača toplote drugom toplonoši (na primjer vodi), i na taj način grijati pomenute prostorije.

Na slici 7 prikazana je principna shema uređaja u kojem se pomoću pare proizvedene u kotlu (K), a koja parnom mrežom (puna linija) prolazi kroz razmjenjivač toplote, tzv. protusmjerni aparat (PA), zagrijava voda koja kruži po principu gravitacionog toplovodnog grijanja kroz mrežu (isprekidana linija) i preko radijatora {R) zagrijava prostoriju. U ovom sistemu je primarni toplonoša para, a sekundarni topia voda i zato se ovakvo posredno grijanje naziva parno – vodnim grijanjem. Pri tome para može bili niskog ili visokog pritiska.

Slika 7. Shema otvorenog sistema sa izmjenjivačem

Slično izgleda i shema gdje je primarni toplonoša vrela voda (iznad 100°C), a sekundarni topla toda (do 100°C). U kojem slučaju imamo vodo – vodno grijanje. Ako je primarni toplonoša para visokog pritiska, a sekundarni para niskog pritiska, tada imamo paro – parno grijanje, a ako je primarni toplonoša vrela voda, a sekundarni para niskog pritiska (koja se može takode proizvesti u izrmjenjivaču toplote) tada imamo vodo – parno grijanje.

7

U posrednog grijanja mogu se praviti kombinacije i s vazduhom kao toplonošom. Grijanje hala grijnim agregatima je takode posredno grijanje. Grijači u agregatima mogu se, pored ostalog, zagrijavati parom, u kojem slučaju imamo paro – vazdušno grijanje. Ako bi se oni zagrivali vrelom vodom imali bismo vodo – vazdušno grijanje.

5. Montaža izmjenjivača kod otvorenog i zatvorenog sitema

Svi sistemi vodenog grijanja moraju imati odgovarajuće uređuje koji obezbjeđuju njihovu funkcionalnost i sigurnost. Uređaji za sigurnost rada tzv. sigurnosni uređaji moraju ispuniti sledeće funkcije:

– da omoguće slobodno širenje vode u cijelom postrojenju usljed promjene temperature (zagrcvanje vode od 4°, tj. od njene najmanje zapremine. na 100° povećava joj zapreminu za 4,3%)

– sprečavanje nastajanja ''suhog" kotla, tj. da osiguraju obezbjeđenje od nedostatka vode,– održavanje temperature i pritiska u određenim radnim granicama.

Instalacija može imati vezu sa atmosferom samo do temperature od 100° (praktično do 90°) da ne dođe do ključanja, odnosno do opasnosti isparenja vode. Ovakvi sistemi se nazivaju otvoreni za razliku od zatvoreni koji su hermetički odvojeni od atmosfere, rade sa višim temperaturama od 110° i većim pritiscima slika 8.

Slika 8. Shema zatvorenog i otvorenog sistema

8

Slika 9. Pločasti izmjenjivač

Budući da je voda u kontaktu sa vazduhom u otvorenim sistemima, efekat korozije se negativno odražava na zidove ekspanzionog suda što dovodi i do nečistoće vode čime se ugrožava cijela instalacija.

Prednost zatvorenih sistema u ovom pogledu je očigledna jer nemaju nikakvog kontakta sa vazduhom i njegovom čestom obnovom, a kod zatvorenih sudova u kojima vazduh služi kao ''jastuk" za promenu pritiska vazduh se ne obnavlja ili je za tu svrhu primenjen neki inertni gas.

Prijedlog za jugoslovenski standard u području centralnih grijanja (JUS) otvorenih sistema je da se radna temperatura ograniči do 110°, a pritisak u najnižem dijelu instalacije do 150 kPa. Pri ovome kotlovi za čvrsta goriva ne mogu imati veću jačinu od 96 kW, a u ostalim gorivima (tečnim i gasovltim) do 36 kW.

6. Ekspanzione posude

Ekspanzione posude su elementi u koje se ulijeva višak vode koji nastaje prilikom zagrijavanja vode, tj. voda se širi, tad se poveća njena temperatura i da nebi došlo do pucanja cijevi ili grijni tijela taj višak vode se ulije u nju. Osim vode koja se ulije ima i nekog procenta vodene pare a pošto i ona stvara pritisak postoje otvoreni sistemo tj. otvorene ekspanzione

9

posude koje imaju cjevčicu na sebi i preko nje dolazi u kontakta sa atmosferom. Kroz tu cijev izlazi višak pare kao i višak vode ako dođe do toga. Veličina ekspanzioni posuda bi trebala biti veća od cjeokupne zapremine vode kako bi se osigurao sistem.

Ekspanzija vode kao ogrijevnog medija u sistemu centralnog toplovodnog grijanja nastala usljed promjene temperature voda uobičajeno se rješava pomoću:

– Zatvorene ekspanzione posude (smještena na najvišoj tački instalacije slika 10) ili– Otvorene ekspanzione posude (obavezno kod tkz. potopljenih radijatorskih sistema

bez sigurnosnog razvodnog napajanja energijom za rad cirkulacionom pumpom slika11).

Ekspanziona posuda služi za preuzimanje toplovodnih širenja ogrijevnog medija u sistemima grijanja.

Slika 10. Otvorena ekspanziona posuda

10

Slika 11. Zatvorena ekspanziona posuda

7. Tipovi izmjenjivača

Široko područje primene izmjenjivača uslovilo je mnoge i različite njihove konstrukcije. Ovdje će se dati opis onih koji u oblasti grijanja dolaze u obzir a to su cijevni protivsmjerni izmjenjivači.

7.1. Izmjenjivač sa savijenim cijevima

U cilindričnom rezervoaru od čeličnog lima ili sivog liva je ugrađen snop savijenih čeličnih, bakarnih ili mesinganih cijevi čiji su krajevi spojeni u jaku metalnu, obično čeličnu ploču, koja je pričvršćena za prirubnicu rezervoara zajedno sa njegovim poklopcem (stika 12).

Para ulazi s jedne strane poklopca, prolazi kroz grijne cijevi i vraća se s druge strane kroz isti poklopac kao kondenzat ili mješavina s vodom. Voda za zagrijavanje ulazi s donje strane prolazi kroz izmjenjivač okolo grijnih cijevi, koje su pregrađene jednom pregradom i zagrijana izlazi kroz gornji otvor. Savijene cijevi dozvoljavaju njihovu dilataciju. Radi čišćenja treba izvući cijeli snop (registar) cijevi. U slučaju propuštanja pojedinih cijevi, do njihove zamene mogu se isključiti zatvaranjem njihovih krajeva.

11

Slika 12. Izmjenjivač sa savijenim cijevima

7.2. Izmjenjivač sa pravim cijevima

Na slici 13. vidi se jedan ovakav izmjenjivač od koga se cijevi lakše čiste i zamijenjuju. Sa obje strane cijevi su upertlovane za ploču samo ploča je na jednoj strani pričvršćena za obod - prirubnicu - rezervoara, dok je s druge strane ploča slobodna a između nje i rezevoara je zaptivka. Poklopci su sa otvorima i prirubnicama na objema stranama. Ovakvi izmenjivači primenjuju gdje je toplonoša para visokog pritiska ili pregrijana voda.

Izmenjivači koji se koriste u instalacijama grijanja postavljaju se iznad nivoa kotla a potrebno je predvidjeti mogućnost lakog demontiranja i vađenja registra. Radi smanjenja toplotnih gubitaka treba ih izolovati.

Slika 13. Izmjenjivač sa pravim cijevima

7.3. Pločasti izmjenjivač

Prilikom izmjene topline s jednog medija na drugi pločasti izmjenjivači topline pružaju učinkovitu alternativu konvencionalnim, vodom hlađenim kondenzatorima i isparivačima. Pogodni su za širok izbor radnih tvari, a i uključuju smanjen volumen radne tvari u sistemu.

Prednosti pločastih izmjenjivača topline:

12

– niski troškovi rada,– vrlo visok koeficjent prijelaza topline (k-vrijednost u prosjeku 3 do 5 puta veća nego

kod spiralnih i U – cijevnih izmjenjivača topline),– brtve bez ljepila CLIP ON (sustav koji se kvači),– OFF – SET (pomaknuti) sustav s asimetričnim otvorima za protok stvara vrlo

učinkovit i ekonomičan uređaj, – potrebno je do 75% manje prostora,– efekt samočišćenja zbog vrlo turbulentnog ponašanja u protoku,– naknadno podešavanje kapaciteta,– vrlo visok stupanj sigurnosti po pitanju mješanja medija,– lako se rastavlja i čisti.

Slika 14 Pločasti izmjenjivač

13

8. Zaključak

Izmjenjivai topline koriste se za prijenos topline od jednog fluida na drugi, kada nije potrebna transformacija energije (npr. kod daljinskog grijanja). Ti uređaji naješe se sastoje od snopa cijevi kroz koje protjee jedan fluid, dok drugi fluid protjee s vanjske strane cijevi kroz taj snop. U njima se može vršiti zagrijavanje, hlađenje, isparavanje ili ukapljivanje fluida. Široko područje primjene izmjenjivača uslovilo je mnoge i različite njihove konstrukcije.

I parni kotlovi bi bili u stvari izmjenjivači toplote pošto se i kod njih toplota prenosi sa vrelih gasova na zidove kotla, te otuda i na vodu s druge strane zida. Izmjenjivači toplote su aparati u kojima se toplota prenosi (konvekcijom) sa jednog fluida na drugi. Pri ovome postoje dvije mogućnosti: ili su fluidi razdvojeni jedan od drugog grejnom površinom te se kroz njih vrši toplotna razmena, ili se fluidi direktno mešaju. Potrebno je razlikovati zagrijani fluid koji odaje toplotu i koji ćemo nazivati grijni fluid, i hladniji fluid, onaj koji treba grijati, grijani fluid.

Osnovni su tipovi izmjenjivača oni kod kojih svaka od struja prolazi samo jedanput kroz promatrani izmjenjivač. Njihova je podjela prema međusobnom strujanju fluida kroz izmjenjivač, te prema tom kriteriju osnovni tipovi izmjenjivača mogu biti:

a) istosmjerni izmjenjivači topline,b) protusmjerni izmjenjivači topline,c) unakrsni izmjenjivači topline.

14

Literatura

1. M. Karamehmedović: ''VENTILACIJONI ELEMENTI'', Sarajevo 1999.

2. Ž. Kuščumlija: ''GREJANJE I VETRENJE''

3. www.google.com

15

16

Sadržaj

1. Uvod 1

2. Izmjenjivači topline 2

3. Osnovna podjela izmjenjivača 3

4. Primjena izmjenjivača toplin 6

5. Montaža izmjenjivača kod otvorenog i zatvorenog sistema 7

6.

7.

Ekspanzione posude

Tipovi izmjenjivača7.1. Izmjenjivač sa savijenim cijevima7.2. Izmjenjivač sa pravim cijevima7.3. Pločasti izmjenjivač

9

10101112

8. Zaključak 13

Literatura 14

17