Dimensionarea unui schimbtor de cldur

2

Introducere

Temperatura influeneaz constantele fizice, starea, echilibrul i cinetica

sistemelor materiale. n fabricaiile chimice, condiii de temperatur se pun pentru fiecare

etap i fiecare operaie a procesului tehnologic.

Aducerea unui sistem la o temperatur dat sau meninerea lui la o anumit

temperatur se face prin introducerea, evacuarea sau pstrarea cldurii, adic, prin

nclzire, rcire sau izolare termic.

Ansamblul de consideraii fizice, teoretice i de tehnice experimentale care au

scopul de a explica i prevedea, calitativ i cantitativ, transportul cldurii se numete

transmiterea cldurii.

Multe operaii importante de inginerie chimic: nclzirea, rcirea, evaporarea,

condensarea, desublimarea, uscarea, distilarea, rectificarea se bazeaz pe transmiterea

cldurii. Numeroase utilaje chimice, industriale sau de laborator: schimbtoare de

cldur, usctoare, cuptoare, evaporatoare, coloane de rectificare, condensatoare,

instalaii frigorifice, reactoare, au ca funcie principal transmiterea cldurii n condiii

optime.

Instalaiile chimice au rolul de a aduce i menine materialele n condiiile optime

corespunztoare schimbrilor fizice i chimice pentru care ele sunt destinate.

Condiiile de temperatur sunt importante pentru c ele influeneaz constantele

fizice ale substanelor, vitezele reaciilor, echilibrele chimice i echilibrele dintre fazele

sistemului considerat. Prin condiii de temperatur se nelege nu numai temperatura din

volumul principal al sistemului, dar i temperaturile maxime locale, regimul

temperaturilor n timp i repartizarea lor n spaiu (cmpul de temperatur).

Supranclzirile locale sau gradienii de temperatur dintr-un reactor pot fi factori

determinani pentru succesul unei operaii.

nclzirea i rcirea raional a aparatelor n care se include i economia de

combustilbil - constituie una din problemele principale ale ingineriei chimice.

n majoritatea cazurilor, nclzirea aparatelor se face cu ajutorul unui agent

purttor de cldur care preia energia termic sau electric de la o surs de energie

3

chimic (combustibil), hidraulic (centrale hidroelectrice), mecanic (pomp de cldur)

i o transport la locul de folosire. Purttorii de cldur sunt substane n stare gazoas

(sau de vapori), lichid sau solid.

nclzirea este direct sau indirect, dup cum exist sau nu, un perete despritor

ntre agentul purttor de cldur i materialul care trebuie nclzit. nclzirea direct are

avantajul unui contact mai bun ntre material i purttorul de cldur i deci un randament

superior sau un timp mai scurt de nclzire, dar este de cele mai multe ori neacceptabil

din cauza amestecrii purttorului de cldur cu reactanii i deci cu produsele rezultate.

La temperaturi joase, transmiterea cldurii se face numai prin conducie i

convecie; la temperaturi nalte predomin transmiterea cldurii prin radiaie.

Transmiterea cldurii prin convecie este avantajat:

- de valori mari pentru densitatea fluidului, cldura specific a fluidului, conductivitatea

termic a fluidului, coeficientul de dilatare a fluidului, viteza de curgere a fluidului,

temperatura fluidului, temperatura peretelui;

- de valori mici pentru viscozitatea fluidului i pentru dimensiunea caracteristic (de

exemplu diametrul).

n ceea ce privete rcirea, exist urmtoarele grupe de procedee de rcire:

- procedee de rcire la temperaturi superioare celei la care exist agentul rcitor; aceste

procedee se bazeaz pe transmiterea cldurii (prin conducie, convecie i radiaie) de la

corpul cald (care trebuie rcit) la corpul rece (agentul de rcire), de exemplu rcirea cu

ap rece, cu aer, cu ghea, cu dioxid de carbon solid, cu aer lichid.

- procedee de rcire la temperaturi inferioare temperaturii la care se gsete iniial

substana care produce rcirea (agentul frigorific). Aceast rcire implic un proces

endoterm fizic (schimbare de stare fizic) sau chimic (reacie); cldura necesar

procesului este absorbit din mediul nconjurtor n care se aduce corpul care trebuie

rcit; de exemplu rcirea cu amestecuri refrigerente, rcirea prin evaporare n aer, rcirea

prin destindere cu sau far producere de lucru mecanic.

- rcirea mecanic se bazeaz pe procedeele precedente, dar instalaia este astfel alctuit

nct agentul frigorific, devenit purttor de cldur, cu consum de energie mecanic sau

termic, n instalaii care funcioneaz prin comprimare, absorbie sau adsorbie.

4

Schimbtoarele de cldur sunt aparatele termice folosite n industria chimic

ce servesc la efectuarea unor operaii nsoite de trecerea cldurii de la o substan la o

alt substan.

Majoritatea schimbtoarelor de cldur sunt aparate avnd delimitate dou spaii

pentru circulaia separat a celor doua substane ntre care se face schimbul de cldur.

Peretele care separ cele dou spaii este suprafaa de transmitere a cldurii sau

suprafaade nclzire (rcire). Uneori suprafaa separatoare nu exist, schimbul de cldur

ntre substane fcndu-se prin contact direct. Dac, n aceste din urm cazuri, ambele

substane sunt fluide i formeaz faze distincte, schimbul de cldur este nsoit i de

schimb de materie. Dac una dintre substane este solid, schimbul de cldur se face

cu excepia sublimrii, desublimrii i uscrii fr schimb de materie.

Un schimbtor de cldur trebuie s realizeze un schimb ct mai intens de cldur

cu o ct mai mic pierdere de presiune a fluidelor care circul prin aparat. O pierdere

mare de presiune nu este un inconvenient cnd fluidul se gsete la presiune ridicat,

impus de alte condiii tehnologice. De obicei ns, presiunea lichidelor corespunde

nlimii limitate a rezervorului sau nlimii de pompare i se cere s se gseasc

compromisul cel mai raional din punct de vedere economic ntre un bun schimb de

cldur i un consum de energie la pomp ct mai mic.

5

1

a

b

Fig.2 Dispunerea evilor n schimbtorul de cldur tubular: a n cercuri concentrice; b n hexagoane concentrice

e

2

3

4

5

6

Fg. 1. Schimbtor de cldur tubular: 1 manta; 2 - evile fasciculului; 3 - plci tubulare; 4 capace; 5 racorduri n legtur cu spaiul dintre evi; 6 racorduri n legtur cu spaiul din interiorul evilor

6

Simbolurile uzuale n schemele tehnologice convenionale:

Clasificarea schimbatoarelor de caldura

Schimbtoarele de cldur propriu-zise se clasific n dou grupe:

-recuperatoare, n care schimbul de cldur se face de la fluidul cald la fluidul rece,

printr-un perete desparitor, n regim staionar ( permanent )

Fig 3. Fixarea evilor n plcile tubulare: a fixare simpl prin mandrinare; b mandrinare cu rsfrngerea marginilor evilor; c mandrinare i nuturi inferioare; d fixare prin sudur; e fixare demontabil cu presutup

a c d b e

7

-regeneratoare, n care schimbul de cldur se face prin intermediul unui solid care

nmagazineaz cldur de la fluidul cald i o cedeaz apoi fluidului rece, n regim

nestaionar, periodic.

n funcie de scopul utilizrii schimbtoarele de cldur au denumiri diferite:

-schimbtor de cldur propriu-zis sau recuperator;

-prenclzitor;

-rcitor;

-radiator ( calorifer );

-cazan de abur;

-vaporizatorul instalaiilor frigorifice;

-usctor;

-turn de rcire;

-condensator;

-evaporator.