Universitatea Politehnica Bucuresti

Facultatea Ingineria Sistemelor Biotehnice

Influenta schimbatorului de caldura si a designului sau in performantele unui sistem

Studenti:Maria Mihaela

Moraru Diana

Grupa:733

1

Schimbătorul de căldură

Model transparent al unui schimbător de căldură ţeavă în ţeavă, cel mai simplu posibil.

Un schimbător de căldură este un echipament de transfer termic, care transmite căldura de la un mediu la altul. Transmiterea căldurii între cele două medii se poate face printr-un perete solid, care le separă, sau se poate face prin amestecarea mediilor. Dacă mediile sunt în contact cu peretele despărțitor pe fețe diferite, căldura trecând prin perete, schimbătorul este de tip recuperativ, iar dacă mediile sunt în contact succesiv cu aceeași față a peretelui, căldura acumulându-se în perete și fiind cedată celuilalt mediu ulterior, schimbătorul este de tip regenerativ. Transferul de căldură are loc întotdeauna, conform principiului al doilea al termodinamicii, de la mediul mai cald la cel mai rece.

Schimbătoarele de căldură se folosesc în procese de încălzire, topire, sublimare, fierbere, vaporizare, condensare, răcire și solidificare.Ele își găsesc o largă aplicabilitate în instalațiile de încălzire, refrigerare, climatizare, distilare (în industria chimică și petrochimică), în centralele termice, termoficare și ca anexe ale mașinilor termice. Un exemplu foarte cunoscut este radiatorul autovehiculelor, unde fluidul cald (apa de răcire a motorului) transferă o parte din căldura evacuată din motor unui fluid rece (aerul din mediul ambiant).

Tipuri constructive și clasificări

După modul de transfer termic schimbătoarele se împart în schimbătoare de suprafață, la care transmiterea căldurii se face printr-un perete despărțitor, considerată suprafață de separație, cu o conductivitate termică cât mai mare și schimbătoare prin amestec, la care transmiterea căldurii se face prin amestecul mediilor.Deoarece sunt mai simple și mai eficiente, schimbătoarele prin amestec sunt preferate în toate cazurile în care fluidele se pot amesteca.

Transferul termic poate fi staționar în timp (continuu), sau nestaționar (periodic). Cele cu transfer continuu sunt realizate de obicei cu suprafață de separație și sunt numite recuperatoare, iar cele cu transfer nestaționar acumulează căldura într-o perioadă de timp și o restituie în alta, fiind numite regeneratoare. Un alt tip de schimbătoare de căldură nestaționare sunt acumulatoarele, în care căldura este acumulată și livrată apoi la cerere.

2

Curgere în echicurent, respectiv în contracurent.

Suprafața de schimb de căldură poate fi realizată din țevi în fascicul tubular, de tip „țeavă în țeavă”, din țevi în formă de serpentină, sau din plăci profilate. Suprafața poate să fie netedă sau cu nervuri, aripioare (suprafețe extinse). De-a lungul suprafeței, fluidele pot curge în același sens, caz în care se spune că curg în echicurent, sau în sensuri contrare, caz în care se spune că curg în contracurent. Există și scheme de curgere complexe, cum sunt curgerile în curent încrucișat, în care cele două fluide curg perpendicular unul pe altul, cu amestecarea șuvițelor de fluid pe partea respectivă a suprafeței (curgere amestecată), sau fără amestecarea lor (curgere neamestecată), sau scheme mixte, cu una sau mai multe treceri.

Simbolurile folosite în schemele termice care conțin schimbătoare de căldură erau standardizate conform STAS 2644-73, însă în 2009 acest standard a fost anulat, fără a fi înlocuit de un altul.

Schimbătoare de căldură de tip recuperativ

Schimbătoare de căldură fără schimbare de fază

Majoritatea schimbătoarelor lucrează fără schimbarea stării de agregare a mediilor, iar transferul termic are loc între fluide: lichid-lichid (răcitoare, încălzitoare, preîncălzitoare), lichid-vapori (condensatoare), lichid-gaz (radiatoare, boilere, butelii de încălzire, în instalații frigorifice), vapori-lichid (vaporizatoare, preîncălzitoare, fierbătoare), vapori-gaz și gaz-gaz. Există însă și schimbătoare la care unul dintre medii este solid, de exemplu cele care mențin apa înghețată într-un patinoar.

Schimbătoare de căldură cu fascicul tubular

Schimbător de căldură cu fascicul tubular „U”.

Aceste schimbătoare sunt formate dintr-o manta (engleză shell), în care se află o serie de țevi, montate sub forma unui fascicul. Capetele țevilor sunt fixate în una sau două plăci tubulare.

3

Cel mai simplu și mai ieftin tip de schimbător este cel cu două plăci tubulare fixe, între care este montat un fascicul de țevi drepte. Deoarece curgerea fluidelor se poate organiza în contracurent, acest tip de schimbător are performanțe termice foarte bune. Dacă proprietățile fizice ale unuia din fluide cer ca acesta să parcurgă un drum mai lung, curgerea în interiorul fasciculului se poate organiza în 2, 3 sau 4 treceri, însă în acest caz pentru a realiza același transfer termic, deoarece eficiența schimbătoarelor de acest tip este mai mică este nevoie de suprafețe mai mari ale fasciculului, deci ele devin mai mari și mai scumpe.

Etanșarea între cele două fluide este foarte bună, eventuale scurgeri putând apărea doar la îmbinarea imperfectă dintre țevi și plăcile tubulare, sau în cazul spargerii țevilor. Deoarece apar diferențe de dilatare între țevi și manta datorită temperaturilor diferite și eventual a coeficienților de dilatare diferiți ai materialelor țevilor și mantalei, îmbinările țevilor cu placa tubulară sunt solicitate și pot slăbi, compromițând etanșeitatea. Pentru a reduce aceste solicitări se pot prevedea compensatoare de dilatare, care însă fac ca mantaua să fie foarte elastică, iar ea trebuie susținută în mai multe puncte de sprijin. O altă soluție pentru reducerea solicitărilor este ca una dintre plăcile tubulare să fie mobilă și etanșată în manta cu o garnitură (schimbătoare cu cap mobil), însă aceasta se poate uza, compromițând etanșeitatea.

Colmatarea ţevilor unui schimbător dintr-o termocentrală.

O altă problemă este că fasciculul de țevi este greu de curățat la exterior, ceea ce face ca acest tip de schimbător de căldură să fie recomandat pentru fluide curate, sau când curățirea se poate face chimic, fără demontarea fasciculului.

Dacă este nevoie de reducerea cât mai mult a solicitărilor fasciculului, acesta poate fi format din țevi în formă de U, fixate într-o singură placă tubulară. însă aceasta se poate uza, compromițând etanșeitatea. Astfel, țevile se pot dilata liber în manta, însă curățirea țevilor devine dificilă și în interior, nu numai în exterior.

Coeficientul de schimb de căldură la curgerea unui fluid de-a lungul țevilor este considerabil mai mic decât cel la curgerea perpendicular pe țevi și depinde de viteza de curgere a fluidului. De aceea, în manta se plasează o serie de șicane, care dirijează curgerea fluidului din exteriorul fasciculului relativ perpendicular pe țevi. Distanța dintre șicane oferă o secțiune de curgere care asigură viteza de curgere dorită. De asemenea, prezența șicanelor uniformizează curgerea și mărește turbulența fluidului, ceea ce îmbunătățește coeficientul de schimb de căldură. Tot ele rigidizează fasciculul de țevi. Nu este obligatoriu ca șicanele să asigure etanșeitatea compartimentelor dintre ele, proiectanții exploatând această posibilitate pentru

4

uniformizarea solicitărilor termice și reducerea pierderilor de presiune, însă cu prețul scăderii eficienței. La proiectare se alege compromisul convenabil.

Un caz la limită în cazul acestor schimbătoare sunt cele numite „țeavă în țeavă”, la care fasciculul se reduce la o singură țeavă, iar mantaua este confecționată și ea dintr-o țeavă. De obicei, pentru reducerea spațiului ocupat țeava este pliată, practic prin cuplarea mai multor schimbătoare scurte.

Scheme de schimbătoare de căldură cu fascicul tubular

Schemă cu două plăci tubulare, cu fascicul drept, cu o singură trecere.

Schemă cu două plăci tubulare, cu fascicul drept, cu două treceri.

Schemă cu o singură placă tubulară, cu fascicul U.

Schimbător de căldură țeavă în țeavă.

Schimbătoare de căldură cu serpentine

Aranjarea ţevilor în linie (a), respectiv alternat (b).

Aceste schimbătoare sunt formate dintr-o serie de țevi în formă de serpentină, în formă elicoidală, sau șerpuite. Serpentinele elicoidale sunt folosite de obicei la încălzirea apei din rezervoare cu acumulare.

Schimbătoarele cu serpentine șerpuite sunt formate din mai multe serpentine în paralel, cu capetele legate la colectoare. Sunt schimbătoarele obișnuite pentru recuperarea căldurii din gazele de ardere la generatoarele de abur, caz în care aceste serpentine, prin care circulă apa sau aburul sunt plasate în canalele de gaze de ardere. Trecerile succesive ale țevilor prin canalul de gaze determină un model al amplasării țevilor, care poate fi în linie (în paralel, în coloană) sau alternat (în zig-zag, în eșichier). Modelul amplasării în șah este, la aceleași viteze de circulație ale fluidelor, mai eficient din punctul de vedere al transmiterii căldurii.

5

Economizorul unui generator de abur de 60 t/h.

La generatoarele de abur acest tip de schimbătoare de căldură se întâlnește în special la spraîncălzitoarele de convecție și la economizoare. La supraîncălzitoare volumul aburului care trebuie supraîncălzit este relativ mare față de volumul unui lichid. Viteza de curgere a aburului prin interiorul țevilor este cuprinsă între valorile de 12 – 25 m/s, valorile mai mici corespunzând presiunilor mari ale aburului. Pentru a realiza secțiunea necesară pentru curgerea aburului destul de frecvent se amplasează în planul serpentinei câte două sau trei țevi în paralel, rezultând așa-zisele serpentine duble, respectiv triple. Pentru a-și putea îndeplini sarcina, supraîncălzitoarele trebuie plasate în zone de temperatură înaltă a gazelor, la care materialele nu rezistă dacă nu sunt răcite. Serpentinele sunt susținute de țevi de susținere răcite prin circulația în interior a apei sau a aburului. Necesitatea intercalării în fascicul a țevilor verticale de susținere face ca amplasarea alternată a serpentinelor să fie mai puțin eficientă ca în cazul economizoarelor. La supraîncălzitoare se folosește curgerea fluidelor atât în contracurent, cât și în echicurent, sau în scheme de curgere complexe, în funcție de necesitățile privind limitarea solicitărilor mecanice și termice.

Economizoarele au aceeași construcție cu a supraîncălzitoarelor. Prin interiorul țevilor circulă apă, cu viteza de 0,1 – 1,0 m/s, iar la nevoie se pot amplasa două pachete de țevi de economizor în paralel, astfel că nu este nevoie de serpentine duble sau triple. Deoarece economizoarele sunt amplasate în zone de temperatură moderată, nu este nevoie să fie susținute de țevi răcite, ci pot fi susținute de platbande, ceea ce permite aranjarea țevilor atât în linie, cât și alternat. În caz că gazele de ardere conțin cenușă, adică provin din arderea cărbunilor, se preferă dispunerea în linie, care reduce eroziunea țevilor. Altfel se preferă dispunerea alternată, mai eficientă la transmiterea căldurii.

Spre deosebire de aburul care curge prin supraîncălzitoare, apa care curge prin economizoare are o concentrație de săruri mult mai mare, săruri din care o parte se depun în interiorul țevilor, colmatându-le.

Schimbătoare de căldură cu plăci

6

Schimbător de căldură cu plăci.

Sunt folosite în industria alimentară, de exemplu la încălzirea și răcirea laptelui, berii și vinului și la prepararea apei calde de consum, în instalații individuale și în puncte termice de cartier.

Amplasarea plăcilor

Forma unei plăci

Aceste schimbătoare sunt alcătuite dintr-un set de plăci individuale montate într-un cadru metalic de susținere și strânse cu buloane. Fiecare pereche de plăci alăturate formează un canal de curgere, astfel încât în două canale adiacente sensul de curgere al celor două fluide este întotdeauna în contracurent. Plăcile sunt executate din foi metalice subțiri, din oțeluri inoxidabile, și sunt prevăzute cu ondulații realizate prin presare, atât pentru mărirea rigidității, cât și pentru îmbunătățirea transferului termic prin mărirea turbulenței fluidelor. Etanșarea între plăci împiedică amestecul agenților termici și scurgerea acestora spre exterior și se realizează cu garnituri. Garniturile din cauciuc, rășini, butil sau neopren rezistă la presiuni

7

până la 25 [bar] (suficiente pentru instalații de încălzire) și temperaturi de 150 °C, iar cele de azbest până la 200 °C.

Acest tip de schimbătoare sunt compacte, la un volum dat oferă o suprafață de schimb de căldură mare, suprafața de schimb de căldură poate fi mărită sau micșorată conform necesităților, adăugând sau scoțând plăci, au costuri de fabricație reduse și sunt ușor de curățat. Au însă și probleme. Buloanele se pot relaxa, caz în care apar scurgeri pe lângă garnituri, însă scurgerile au loc spre exterior, nu prin amestecarea fluidelor. Au căderi de presiune relativ mari, ceea ce mărește costurile de pompare. Dacă apare o avarie, repararea durează mult, mai ales dacă sunt sute de plăci și se pot colmata relativ ușor, nervurile reținând impuritățile.

Schimbătoare de căldură spirale

Schema unui schimbător de căldură spiral.

La aceste schimbătoare suprafața de schimb de căldură este formată dintr-o bandă rulată în formă de spirală, realizându-se astfel între spire două canale, în care se poate organiza ca cele două fluide să circule în contracurent sau în curent încrucișat. Datorită suprafețelor relativ plane, de obicei presiunea de lucru este limitată la 20 bar, dar există și construcții care se pot folosi la presiuni de sute de bar, respectiv temperaturi de sute de °C. Sunt schimbătoare compacte, că căderi de presiune relativ mici și pot fi folosite pentru fluide care pot colmata ușor canalele, tipul de curgere prin schimbător favorizând autocurățirea.

Calorifere

Caloriferele sunt schimbătoare de căldură folosite la încălzirea centrală cu apă caldă și, mai rar, cu abur. Caracteristic acestora este faptul că de la suprafața de încălzire spre aerul din spațiul încălzit căldura se transmite prin convecție liberă (engleză natural convection). Caloriferele pot fi din fontă, oțel sau aluminiu.

Caloriferele din fontă sunt concepute să lucreze în instalații de termoficare, la presiuni relativ mari, necesare pentru încălzirea clădirilor înalte. Ele sunt realizate din elemenți, care sunt piese turnate, asamblate cu nipluri. Tehnologia de turnare este scumpă, ca urmare au un preț relativ mare. Având o masă mare și un volum mare de apă de încălzire în ele au o inerție termică mai mare, lucru favorabil la exploatarea centralelor de apartament, care lucrează în regim intermitent. Dezavantajul lor este că fonta este casantă, ele putându-se sparge la șocuri.

Exemple de calorifere pentru încălzire

8

Calorifer cu elemenți

Calorifer din tablă de oțel

Calorifer cu abur

Calorifer de baie, pentru prosoape.

Radiator electric cu ulei.

Schimbătoare de căldură cu schimbare de fază

Condensatoare

Condensator de turbină cu abur cu fasciculul tubular distrus.

Condensatoarele folosite în industria alimentară și cea chimică sunt formate de obicei din serpentine prin care circulă vaporii care trebuie condensați, scufundate într-un vas cu apă de răcire, sau, de exemplu la mașinile frigorifice, din serpentine cu suprafețe extinse în exteriorul cărora circulă aerul de răcire. Unele dintre cele mai mari condensatoare sunt folosite în termocentrale, la condensarea aburului evacuat de turbinele de abur, în vederea realizării unei presiuni cât mai scăzute la ieșirea din turbină.

9

Schema unui condensator.

Condensatoarele de suprafață permit realizarea unor presiuni foarte mici (un vid foarte înaintat), iar condensatul obținut este foarte pur, fără aer. Ele sunt formate dintr-o manta și un fascicul tubular format din țevi cu diametrul de 17 – 24 mm și grosimea peretelui de 0,5 – 1 mm, din alamă sau titan, fixate prin mandrinare în două plăci tubulare. Drept mediu de răcire, care circulă prin interiorul țevilor, se folosește în general apa și foarte rar aerul. Aburul condensează pe suprafața exterioară a țevilor. Pentru a evita scurgerea condensatului în jos din țeavă în țeavă, ceea ce ar mări grosimea peliculei de apă pe țeavă și ar înrăutăți schimbul de căldură, între țevi sunt plasați din loc în loc pereți despărțitori care dirijează scurgerea condensatului.

Țevile condensatoarelor sunt supuse fenomenelor de coroziune și de colmatare. La condensatoarele cu țevi de titan, atât depunerile pe pereții interiori ai țevilor, cât și coroziunea datorită microorganismelor din apă este mult mai mică, iar curățirea interioară a țevilor se poate face mult mai ușor. Curățirea se poate face cu perii de nailon sau cu bile de cauciuc. Dacă aceste țevi nu se pot curăța ele se înfundă cu dopuri la capete. Se admite înfundarea doar a 3 – 4 țevi la fiecare mie. Dacă acest număr crește, ele trebuie înlocuite.

Vaporizatoare

Schema unui vaporizator folosit în industria chimică.

Se folosesc în cazurile în care lichidul trebuie transformat în vaporii săi, prin fierbere, cum ar fi în industria chimică, la distilare. În acest caz schimbătorul este cu fascicul tubular, iar vaporii formați se adună în spațiul de abur de sus. Alt tip de vaporizator este cel din sistemele fierbătoare ale generatoarelor de abur. Aceste vaporizatoare sunt formate actual exclusiv din țevi verticale cu suprafețe netede, asamblate prin sudare la colectoare.

Centralele nucleare produc curent electric folosind turbine cu abur, exact ca termocentralele. Primele centrale nucleare, aveau reactoarele răcite cu gaze (erau de tip GCR, AGR, respectiv

10

HTGR), iar aburul era produs în vaporizatoare cu serpentine, foarte asemănătoare cu a schimbătoarelor de căldură folosite în generatoarele de abur cu combustibili fosili.

Capătul de sus al fasciculului tubular al unui generator de abur vertical pentru CNE.

Schimbătoare de căldură cu suprafețe extinse

Se folosesc în cazurile când coeficientul de convecție pe partea unuia din fluide este mult mai mic decât cel de pe partea celuilalt fluid, caz în care îmbunătățirea coeficientului global de transfer termic se poate obține prin mărirea (extinderea) suprafeței de contact cu fluidul care are coeficientul de convecție mai mic.

Suprafețele extinse sunt recomandate pentru răcitoarele de ulei (pe partea uleiului), radiatoare pentru autovehicule, alte tipuri de răcitoare, condensatoare pentru instalații de climatizare (la toate pe partea aerului).

Părțile care extind suprafețele, numite curent nervuri, se obțin prin extrudare, sau se lipesc pe suprafața de bază prin brazare (lipire la cald cu material de adaos metalic) în cuptoare cu vid. În aceleași cuptoare se execută și tratamentele termice complementare: de durificare, călire, recoacere etc.

Exemple de schimbătoare de căldură cu suprafețe extinse

Radiator de mașină.

Radiatoare pentru răcirea componentelor de calculator.

Vaporizator de instalație frigorifică.

Vaporizator de instalație de climatizare.

Registru de încălzire.

11

În general, pentru nervuri corect proiectate, cu grosime corespunzătoare, randamentul nervurii depășește 85 %, deci nervurarea mărește efectiv suprafața de schimb de căldură.

Schimbătoare de căldură de tip regenerativ

Schimbătoarele de tip regenerativ, cunoscute și sub numele de recuperatoare intermitente, sunt caracterizate prin faptul că transferul termic de la fluidul cald spre fluidul rece se face prin intermediul unei umpluturi, care este încălzită periodic de fluidul cald, iar apoi cedează căldura primită fluidului rece. Uzual umplutura este din materiale ceramice, sau din materiale metalice, de obicei oțel. Curgerea fluidelor este organizată de obicei în contracurent. Cele mai cunoscute schimbătoare de căldură regenerative sunt cele de tip Cowper și preîncălzitoarele rotative ale generatoarelor de abur energetice și ale unor turbine cu gaze.

Cowpere

Regeneratoare Cowper.

Regeneratoarele Cowper se folosesc în metalurgie, la preîncălzirea aerului introdus în furnale. În furnal trebuie realizată o temperatură foarte înaltă, necesară topirii fierului, ceea ce necesită ca aerul introdus în furnal să aibă o temperatură cât mai ridicată, uzual 1200 – 1350 °C. Încălzirea aerului se poate face recuperând căldura din gazele de furnal, care au la ieșirea din furnal o temperatură foarte înaltă, de 1550 –1650 °C. Instalația care asigură transferul căldurii de la gazele de furnal la aerul care va fi introdus în furnal trebuie să reziste la aceste temperaturi mari și trebuie să poată asigura debite de aer mari. Aceste schimbătoare de căldură se construiesc sub forma unor turnuri umplute cu cărămizi refractare, amplasate decalat, cu spații între ele, prin care circulă gazele, respectiv aerul. Se pot folosi cărămizi de formă obișnuită, dar există forme de cărămizi mai eficiente, care reduc pierderile de presiune, deci energia consumată de suflantele care asigură circulația fluidelor. Materialele folosite la cărămizi au drept componentă principală alumina (Al2O3) sau forsterita (Mg2SiO4).

La fiecare furnal există cel puțin două turnuri, dar de obicei mai multe. Prin unul din ele circulă gazele de furnal și încălzesc umplutura, iar prin celălalt, deja cald, circulă aerul, care

12

se încălzește de la umplutură. Când temperatura turnului încălzit crește suficient, iar cea a turnului care încălzește a scăzut, se comută funcționarea turnurilor, cer care a fost încălzit de gaze devine încălzitor de aer iar cel care a încălzit aerul va fi încălzit de gazele de furnal.

Exemplu de instalaţie de furnal cu cinci regeneratoare Cowper.

Preîncălzitoare rotative

Preîncălzitor rotativ de tip Ljungström în construcţie.

Preîncălzitorul rotativ, proiectul lui Ljungström.

13

Preîncălzitoarele de aer regenerative sunt folosite în cazul generatoarelor de abur foarte mari și la instalațiile de turbine cu gaze staționare. Acestea lucrează la temperaturi mult mai mici ca cele necesare la furnale. Suprafața de schimb de căldură este formată dintr-un cilindru, rotativ (preîncălzitoare de tip Ljungström) sau fix (preîncălzitoare de tip Rothemühle), compartimentat radial. În compartimente este plasată umplutura, formată din pachete de tablă ondulată cu grosimea de 0,5 – 1 mm. La generatoarele de abur care ard combustibil cu conținut mare de sulf, în partea finală a preîncălzitorului poate să apară coroziunea datorită acizilor sulfuros (H2SO3) și sulfuric (H2SO4). Pentru evitarea coroziunii, în această zonă se poate folosi o umplutură ceramică sau din sticlă.

Comparație între recuperatoare și regeneratoare

În comparație cu recuperatoarele, regeneratoarele oferă în același volum o suprafață de schimb de căldură mai mare, ceea ce face ca construcția lor să fie mai compactă, eficiența lor să fie mai bună și căderea de presiune mai mică. Ca urmare ele sunt mai eficiente din punct de vedere economic. Distribuirea fluidului în umplutură este mai simplă decât în fasciculele de țevi, iar umplutura poate fi optimizată astfel încât căderea de presiune să fie aceeași în toate zonele, iar prin aceasta se evită drumuri preferențiale ale fluidelor. Spălarea alternativă a suprafeței ajută la curățirea ei și împiedică colmatarea și coroziunea. La gaze, coeficienții de transfer termic gaz-perete sunt mult mai mici decât la lichide, ceea ce necesită suprafețe de schimb de căldură mai mari. Porozitatea mare a umpluturii și suprafața de schimb de căldură mare oferită le fac ideale pentru schimbătoarele gaz-gaz.

Principalul dezavantaj al regeneratoarelor este faptul că nu se poate evita un oarecare grad de amestec între fluide. Întotdeauna fiecare dintre fluide va conține o mică cantitate din celălalt fluid. La preîncălzitoarele rotative, partea de fluid care se amestecă este cea prinsă între separatoarele radiale, iar la cele cu umplutură fixă, volumul de fluid care se află în umplutură în momentul comutării fluidelor. De aceea regeneratoarele pot fi folosite doar acolo unde amestecul fluidelor este acceptabil, de exemplu amestecul gazelor de ardere cu al aerului.

Schimbătoare de căldură prin amestec

Acest tip de schimbătoare de căldură se folosesc la climatizări (umidificare), la condensarea vaporilor și la răcirea apei. Transferul termic poate avea loc între lichid-lichid (amestecătoare), vapori-lichid (degazoare, acumulatoare, condensatoare), lichid-gaz (scrubere, turnuri de răcire), gaz-gaz (amestecătoare).

Condensatoare prin amestec

Condensatoarele prin amestec pentru turbine realizează condensarea aburului prin amestecarea lui cu apă de răcire, introdusă sub forma unor dușuri. Aceste condensatoare au o construcție simplă și ieftină, dar realizează un vid scăzut datorită infiltrațiilor mari de aer. Conform legii lui Dalton, presiunea din condensator este suma presiunilor parțiale ale aburului și a aerului infiltrat. Aerul se poate infiltra în condensator prin neetanșeități sau poate fi adus dizolvat în apa de răcire. Acest tip de condensator s-a folosit la primele mașini cu abur, însă, datorită acestui dezavantaj a fost înlocuit cu condensatoare de suprafață.

Pentru a elimina acest dezavantaj, în sistemul Heller-Forgó drept apă de răcire se folosește condensatul însuși, răcit într-un turn de răcire uscat. Sistemul, care nu necesită apă de răcire,

14

deci este adecvat pentru regiunile aride, necesită însă un turn de răcire cu o suprafață de răcire foarte mare.

Turnuri de răcire

Turnurile de răcire ale centralei nucleare Cofrentes (Spania).

În termocentrale sau centralele nucleare, căldura evacuată în condensator conform ciclului Clausius-Rankine după care funcționează este preluată de apa de răcire a condensatorului. Această apă trebuie apoi să fie răcită la rândul ei, în turnuri de răcire. Acestea pot fi fie uscate, caz în care sunt de fapt niște schimbătoare de căldură foarte mari fără schimbare de fază, fie umede, caz în care căldura de evacuat este preluată sub formă de căldură latentă de vaporizare a unei părți din apă, prin transfer de căldură și masă. De regulă se folosesc turnuri umede, cele uscate fiind folosite doar în zonele cu deficit de apă.

La turnurile umede apa care vine de la condensator este lăsată să cadă sub formă de picături deasupra umpluturii, formată din plase rezistente la coroziune, care o pulverizează, facilitând evaporarea. Curgerea aerului care preia vaporii formați poate fi în contracurent, sau în curent încrucișat, realizată prin tiraj natural sau forțat. Tirajul natural este realizat de diferența de densitate dintre aerul din turn, care este mai cald și poate fi considerat saturat cu vapori de apă, deci mai ușor. Tirajul forțat este realizat cu ajutorul ventilatoarelor. Turnurile cu tiraj forțat sunt mai eficiente pentru unități mici, iar cele cu tiraj natural pentru unități mari. Datorită complexității fenomenelor de transfer de căldură și masă, turnurile de răcire sunt considerate un domeniu aparte față de schimbătoarele de căldură obișnuite.

15

Recuperarea de caldura:Preincalzirea apei cu caldura provenita de la desupraincalzire si condensare

O potentiala oportunitate atractiva pentru recuperarea de caldura este de a preincalzi apa folosita in boilere, spalare si alte asemenea procese, asa cum se arata in fig.16.10.Operatia este de auto-reglementare astfel ca din apa se extrage caldura din refrigerant, iar echilibrul de caldura este realizat de un boiler sau orice tip de incalzitor.Temperatura de iesire a apei intr-un proces de schimb de caldura functioneaza dupa un numar de variabile.In speta depinde de temperature de intrare,de temperature de condensare si debitul refrigerentului cat si de temperatura de intrare si debitul apei.

16

Fig. 16.11 arata schimbarile de profil al temperaturii din schimbatorul de caldura si influentele aduse de unele variabile asupra acestora.Amoniacul super incalzit intra in schimbatorul de caldura la o temperatura de 90°C(194°F).Temperatura apei la intrare este de 10°C(50°F), iar capatul drept al profilului este temperatura de iesire a apei.

Liniile punctate marcheaza locul unde desupraincalzirea refrigerentului s-a sfarsit si a inceput condensarea.Cea mai mare temperatura de iesire a apei este de 22°C(71.6°F) coincide cu cea de condensare de 35°C(95°F) si au debitul mare al refrigerentului de 0.8 kg/s (106 lb/min).Debitul amoniacului corespunde aproximativ unei instalatii cu o capacitate de refrigerare de 900 kw(250 tone).Temperatura apei este adusa de la temper17atura de intrare de 10°C (50°F) la o temperatura de 17°C (62.6°F) prin condensarea refrigerentului, iar cresterea temperaturii apei pana la 22°C(71.6°F) este realizata de amoniacul supraincalzit in 16.4% din zona de schimb a caldurii.

Fig 16.11 mai arata si un profil al temperaturii apei pentru un debit scazut al amoniacului de 0.4 kg/s(53 lb/min).Profilele au aceeasi forma in zona de condensare a schimbatorului de caldura pentru toate debitele, atat timp cat condensarea continua.Cu un debit scazut, refrigerentul supraincalzit este racit la temperatura de condensare intr-o mica parte a scimbatorului de caldura (8% in cazul acesta).

Schimbatorul recuperator de caldura are un potential mai mic pentru recuperarea de caldura la temperature mici de condensare,asa cum arata fig.16.11.In ciuda faptului ca temperatura de intrare a refrigerentului supraincalzit este aceeasi in toate cazurile aratate in figura, posibilitatea de preincalzire a apei este redusa cand temperature de condensare scade.

Fig.16.11 arata ca rata de transfer a caldurii de la refrigerent la apa este inflentata de un numar de factori, chiar daca rata debitului apei si temperatura de intrare a refrigerentului sunt constante.Efectele combinate ale acestor variabile ingreuneaza posibilitatile producatorului acestor schimbatoare de caldura sa prezinte un catalog de informatii intr-o forma simpla.Din acest motiv, unii producatori au programat performantele produselor lor intr-un calculator astfel ca potentialul client sa poata sa afle informatii pentru o gama variata de conditii.

Rolul schimbatorului de caldura

Diferitele configuratii ale schimbatorului de caldura recuperator sunt folosite in practica depinzand de cerinte.Un schimbator de caldura cu manta si teava este aratat in fig.16.12a) si este adesea folosit in situatii unde temperatura fluidului incalzit nu este nevoie sa fie adusa la valori mari.De exemplu glicol pentru incalzire a pardoselei.Cand temperatura fluidului care iese trebuie majorata cat mai mult posibil, este preferabil sa punem refrigerentul supraincalzit in sens opus curgerii fluidului.Un design al unui schimbator de caldura care a indeplinit aceste conditii este schimbatorul teava in teava figura 16.12b).

17

Unele coduri interzic incalzirea apei potabile in schimbatoare de caldura ca acelea din figura 16.12, deoarece daca survine o scurgere in metalul dintre refrigerent si apa, apa va fi contaminata.Pentru a evita aceasta problema, un perete dublu este folosit ilustrat in figura 16.13.Obiectivul acestui perete dublu cu aerisire al schimbatorului de caldura este de a permite o scurgere a refrigerentului sau a apei in spatial intermediar.Un contact termic bun trebuie realizat intre suprafata interioara a tubului din mijloc si suprafata exterioara a tubului interior, o conditie satisfacuta prin construirea spatiului ventilat ca in figura 16.13.

18

19

Bibliografie:

VDI Heat Atlas, (Transl: J.W. Fullarton), Düsseldorf: VDI-Verlag GmbH, 1993, ISBN 3-18-400915-7

VDI VDI-Wärmeatlas, Düsseldorf: VDI-Verlag GmbH, 1963

Victor Ghia Récupérateurs et régénérateurs de chaleur, București: Editura Tehnică, Paris: Editions Eyrolles, 1970

Bazil Popa și colab. Manualul inginerului termotehnician (MIT), București: Editura Tehnică, 1986

Bazil Popa, Helmuth Theil, Teodor Mădărășan Schimbătoare de căldură industriale, București: Editura Tehnică, 1977

Corneliu Ungureanu Generatoare de abur pentru instalații energetice, clasice și nucleare, București: Editura Didactică și Pedagogică, 1978

Corneliu Ungureanu ș.a. Combustibili, instalații de ardere, cazane, Timișoara: Editura „Politehnica”, 2006, ISBN 973-9389-21-0

Nicolae Pănoiu Cazane de abur, București: Editura Didactică și Pedagogică, 1982

Gavril Creța Turbine cu abur și cu gaze, București: Editura Tehnică, 1996, ISBN 973-31-0965-7

Schimbătoare de căldură în plăci cu plăci interschimbabile , radox.ro;

Ion Gheorghe Carabogdan ș.a. Instalații termice industriale, București: Editura Tehnică, 1978, pp. 115-119;

STAS 8435-75 Utilaj pentru industria chimică. Schimbătoare de căldură. Clasificare;

STAS 8475-83 Utilaj pentru industria chimică. Schimbătoare de căldură cu manta și fascicul tubular rigid. Tipuri și dimensiuni;

Mihai Jădăneanț ș.a. Echipamente și instalații termoenergetice. Note de curs pentru auditorii energetici, Ediția a 2-a, Timișoara: Editura Orizonturi Universitare, 2008, ISBN 978-973-638-367-0, pp. 21-22;

http://ro.wikipedia.org

20