114142361 curs fenomene de transfer sem ii

7/28/2019 114142361 Curs Fenomene de Transfer Sem II

1/53

OPERATII SI APARATECURS NR 1.

Transferul de cldur

Este tiina schimbului ireversibil de cldur ntre dou corpuri, dou pri ale aceluiaicorp sau ntre dou fluide ntre care exist o diferen de temperatur.

Cldura este schimbul de energie dintre dou corpuri ntr-o transformare n care nuse efectueaz lucru mecanic.

Temperatura este parametru ce caracterizeaz din punct de vedere calitativschimbul de cldur i este expresia energiei interioare a mediului respectiv.

Transferul de cldur are loc cu respectarea celor dou principii termodinamicii:- principiu I al conservrii energiei

- principiu II care arat sensul n care are loc schimbul de cldur adic de la corpul maicald la cel mai rece

Utilitate1) ntocmirea bilanurilor puternice pentru un utilaj, secie, fabric

Qintrat=Oieit+Qpirdut- scopul bilanului este acela de a micora pierderile2) proiectrii instalaiilor: suprafaa unui utilaj se calculeaz dup fluxul termic care

strbate utilajul respectiv3) alegerea materialului pentru diverse materiale

Schimbul de cldur poate avea loc prin 3 moduri: - conducie- convecie- radiaie

Conducia i convecia au loc prin contact direct n schimb radiaia are loc n mediuaflate la distan. Conducia i radiaia au loc pe baza diferenei de temperatur iar convecia

presupune i trasfer de mas( deplasare de fluide)Mrimi de baz

1) Cmp de temperatur: totalitatea valorilor de temperatur la un moment dat. Pentru nu

punct M(x, y, z) cmpul de temperatur este dat de t=f(x, y, z, ). Poate fi constant sau staionaratunci cnd nu depinde de timp i poate fi tranzitoriu, nestaionar sau variabil cnt depinde detimp.

Cmp constant: t= f1(x, y,z)Cmp tranzitoriu: t=f(x, y, z, )Cmp tranzitoriu bidirecional: t=f2(x, y,)

unidirecional t=f3(x,)2) Suprafaa izoterm: totalitatea punctelor care au la un moment dat aceeai

temperatur. Punctele nu se intersecteaz deoarece ar exista puncte care au simultan aceeai

temperatur.3) Gradientul de temperatur( creterea de temperatur): dac se intersecteaz suprafeeleizoterme cu un plan se obine o familie de curbe izoterme.

1


2/53

=

=

n

Dl Dl

Dtgradtn 0

lim [0C/m]

4) Fluxul termic (Q) cantitatea de cldur care traverseaz o suprafa S deschimb de cldur n unitatea de timp

5) Densitatea fluxului termic (fluxul termicunitar) cantitatea de cldur transferatpe unitatea de suprafa de schimbul de cldur

Analogia electric a schimbului de cldurDou sisteme sunt analoage atunci cnd sunt descrise ecuaii similare, adic ecuaiile ce

descriu funciile unui sitem pot deveni ecuaia celuilat sistem prin simpla schimbare avariabilelor. Se poate face analogia ntre legea lui Ohm ce caracterizeaz procesul ce sedesfoar n curent continuu i fluxul termic ce caracterizeaz schimbul de cldur :

R

DUI= ;

t

sR

Dtq =

Dt- variaia de timp, Rt- rezistena termic a instalaieiAnalogia electric a schimbului de cldur permite vizualizarea proceselor care au

loc n transferul de cldur prin realizarea unor circuite electrice echivalente. Fiecrui circuittermic se poate asocia un circuit electric echivalent.

Schimbul de cldur prin conducieConducia este schimbul de cldur care are loc ntre dou corpuri, dou pri ale

aceluiai corp, dou fluide ntre care exist contact fizic direct, transferul de cldur are loc dela particul la particul. Aici este prezent legea lui Fourier:

dx

dtAQ = [W]

A- suprafaa de schimb de cldur [m2], - coeficient termic [W/m0C]

dx

dt- gradientul de temperatur pe direcia lui x [0C/m]

semnul minus schimbul de cldur are loc de la corpul mai cald la cel mai rece

dx

dtS

Q

=

t-Dt

Dln

t

t+Dt

n

2


3/53

Conductivitatea de cldur : cantitatea de cldur schimbat printr-un m2 de suprafaa deschimb de cldur sub un gradient de temperatur de 0C/m

- depinde de natura materialului, starea de agregare, temperatur i presiune( )[ ]ott= 10 [W/m0C]

se ia din tabele - conductivitatea termic poate crete sau scdea cu temperaturaDac t=0t=0(1 t)

La gaze t=0

2

3

273

T

, T se expim n K

Ordin de mrime a conductivitii

gaze la pres atm 0,006-0,22

materiale izolante 0,02-0,2lichide, nemetale 0,04-0,55materiale de construcii 0,03-3lichide, metale 8-140aliaje 14-300metale pure 7-500Materialele care au o conductivitate foarte sczut se numesc materiale izolatoare. La

materialele cristaline conductivitatea este mai mare dect la cele amorfe. Conductivitatea estemai mare la materialele pure dect la aliaje. Prezena impuritilor ntr-un material determin

mi8corarea lui . Prelucrarea mecanic, expunerea la radiaii determin micorarea lui . estemai mare la solide dect la lichide. Coeficienii termici cu valoare mare conduc cldura.

Schimbul de cldur prin convecieConvecia reprezin un proces complex de transmitere a cldurii n care odat cu

schimbul de energie, la contact fizic direct, are loc i deplasarea fluidelor , adic conveciapresupune schimb de cldur ntre o suprafa solid i un fluid aflat n micare. Cldura de lasuprafaa solid se transmite prin conducie prin stratul adiacent de particule iar acestea,mrindu-i energia , se vor deplasa ctre zone cu particule mai reci(transfer de mas). Aicintlnim legea lui Newton

Q=A(tp-tf) [W]( )fps tt

A

Qq == [W/m2]

- coeficient de transmitere de cldur prin convecie, depinde de l( geometriasuprafeei), v, p, tf, prop fizice ale suprafeei solide i a fluidelor

tp- temperatura suprafeei solidetf- temperatura fluidului

Schimbul de cldur prin radiaieRadiaia are loc ntre corpuri aflate la distan ntre ele. Un corp poate absorbi radiaia

emis de un alt corp dar la rndul lui poate s emit radiaie. Transmiterea cldurii are loc sub

3


4/53

form de unde magnetice ( a crei lungime de und este de 1-100) n domeniul infra roucare lacontactul cu corpul se transfer n cldur.

Legea: Q= AT4 [W]coeficient de absorbie a radiaiei pentru corpul negru=5,76*108 [W/m2k4]Schimbul de cldur are loc printr-un transfer simultan prin convecie, conducie i

radiaie. n calculeletehnice nu se ia n seam radiaia dac temperatura corpului nu depete200-3000C.

CURS NR 2.

4


5/53

Transferul de cldur prin conducie prin perei plan paralel

tp-temperatura pereteluitp1>tp2; S>>

Suprafeele izoterme sunt plane i paralele ntre ele. Dac S>> atunci se potneglija efectele de capt ale peretelui care s-ar manifesta n neiniformiti a cmpului detemperatur. qsS

Fluxul termic ce trece prin conducie n perete este dat de legea lui Fourier:

dx

dtSQ = ( considerm cmpul termic unidirecional)

dtdxqdx

dt

S

Qq ss ===

x=o, t=tp1x=, t=tp2

( )210

2

1

ppS

tp

t

s ttqdtdxq

p

==

qs=/(tp1-tp2) [W/m2]

( )SttSqQ pps 21 == [W]

qs

x dx

Tp2

=ct

Tp1

dt

SS

5


6/53

;tR

Dtq =

== tRDtq [m2.0C/W]

Distribuia temperaturii n perete( Variaia temperaturii n perete)

Considerm un punct n interiorul pereteluisituat la distana x de coordonate 0


7/53

,- constante; tf1>tf2, qv=0( fluxul termic volumetric [W/m3] i apare atunci cnd n perete se

genereaz cldur) Fluxultermic care trece de la fluidul cald la perete este egal cu fluidul termic care trece prin peretei este egal cu fluxul termic care trece de la perete la fluidul rece deoarece n perete nu seacumuleaz cldur. qs=1(tf1-

tp1)=

(tp1-tp2)=2(tp2-tf2) tf1-tp1=qs 11

tp1-tp2=qs

tp2-tf2=qs 2

1

tf1-tf2=qs( 1

1

+

+

2

1

)qs=21

21

11

++

ff tt

[W/m2] Ks=

21

111

++

[W/m2

.0

C] 11

transfer prin

convecie; 2

1

transfer prin conducie

qs

S

Dt2

=qs

Rs2

=qs

Tp2

Tp1

Tf2

Tf1

Dx

Dt1=q

sR

s1=q

ss

Dtp=q

sR

sp=q

s

2

7


8/53

qs=KsDt [W/m2]sau Q=KsSDt [W] Ks=coeficientul global

de transmitere a cldurii prin convecie i conducie q=tR

Dt; Rt=

q=Dt=1

Dt

; Rt conv=1

qs=

DtDt=

Rsp=rezistena termic la transmitereacldurii prin conducie n perete R s2= rezistena termic la transmitereacldurii prin convecie de la perete la fluidul rece Rs1= rezistena termic la transmitereacldurii prin convecie de la fluidul cald la perete

Rt=Rs1+Rsp+Rs2= 1

1

+

+ 2

1

Analogia electric a transmiterii cldurii ne permite s calculm cldura ntr-un punctoarecare din perete cunoscnd o temperatur de referin i rezistenele termice de la punctulde referin pn n punctul al crei temperaturi se calculeaz.

Tx=t0 t

ts

t

s RqtR

tq .=

= tx=t0 qsRt

tp1=tf1-qsRs1=tf1-qs 11 =tf2+qs(

+ 2

1 )

tp2=tf1-qs( 1

1

+

)= tf2+qs 2

1

CURS NR 3.

Transferul de cldur prin perei cilindrici

Tf2

Rs2

Tp2

Rsp

Tp1

Rs1

Tf1

8

21

21

11

++

= ffs

ttq


9/53

R1,r2- raza interioar i raza exterioarSuprafeele izoterme sunt suprafee cilindrice concentrice a cror mrimevariaz cu raza. Se presupune c l>>r pentru a se neglija efectele de capt ale peretelui carear nsemna neuniformiti ale cmpului de temperatur.

dx

dtsQ =

Deoarece S depinde de raz, fluxul termic unitar se raporteaz la

lungime(este aceeai).l

Qql = [W/m]

( ) dr

dtrldr

dtSlqQ l 2=== [W]

S=2rl; ql=-(2r)dr

dt

r=r1(d=d1); t=tp1r=r2(d=d2); t=tp2

1

2

1

221 ln

2ln22

2

1

2

1d

dq

r

rqtt

r

drqdt llpp

r

r

l

t

t

p

p

===

r1/r2=(d1/2)/(d2/2)

R1

R2

dr

L=1m

D2

D1

=ct

r

d

Tp1

Tp2

dt

9


10/53

1

2

21

1

2

21

ln2

1ln

2

d

d

tt

d

d

ttq

pppp

l

=

=

[W/m]

Q=qll= ld

d

tt pp

1

2

21

ln

2

[W]

1

2ln2

1

d

dRlcond

= [m0C/W]

Distribuia temperaturii n peretele cilindricr1 r r2; t=t(r)

( )

1

2

21

1

1

1

2

1

2111

111

1lnlnln

ln

ln2

ln2

ln2

dd

tt

dd

tt

dd

d

d

tttd

dqtt

d

dq

r

rqtt

pprp

ppp

l

pr

ll

rp

=

====

- distribuia logaritmic

1

2

d

d 1,8 peretele cilindric poate fi considerat perete plan

=r2-r1=2

12 dd

Transferul de cldur ntre dou fluide separate printr-un peretecilindric omogen

Q=S(tf-tp)=(dl)(tf-tp) [W]

ql= lQ

=d(tf-tp) [W/m]

10

d2

d1

Tf2

Tp2

21

Tp1

t

Tf1

11

1

1

dqt l=

1

2ln2

1

d

dqt lp

=

22

2

1

dqt l=


11/53

ql=d11(tf1-tp1)=1

2

21

ln

2

d

d

tt pp

=d22(tp2-tf2)

Fluxul termic care trece de la fluidul cald prin convecie la peretele cilindric este egalcu fluxul termic care trece prin conducie la peretele cilindric i este egal cu fluxul termic

care trece de la peretele cilindric ctre fluidul rece( n perete nu se acumuleaz cldur).Tf1-tp1=

11d

ql

tp1-tp2=2

ln1

2

d

dql

tp2-tf2=22d

ql

tf1-tf2=ql(11d

ql +2ln 1

2

d

d

ql +22d

ql )

221

2

11

21

1ln2

11

dd

d

d

ttq

ff

l

++

=

[W/m]

Q=Kll(Rf1-Rf2)

Q=

ee

n

mi dd

i

d

lt

11

111

++

[W]

Ret=Rl1+Rep-Rl2=221

2

11

1ln

2

11

ldd

d

ld ++

Q=Ktl(Tf1-tf2); ql=l

Q=Kl(tf1-tf2)

CURS NR 4.

Transferul de cldur prin perei sferici

11

Tf2Rl2

Tp2

Reptp1

Rl1Tf1


12/53

tp1>tp2; r1 tf2; S1=d12Cldura care trece prin convecie de la fluidul cald la peretele sferic este egal cu

cldura ce trece prin conducie n peretele sferic i este egal cu cldura ce trece prin

2

dt

ttp1

tp2

t(r)

Q

tf1

d1

d2

tf2

12


13/53

convecie de la peretele sferic la fluidul rece( n perete nu se scumuleaz cldur).convecie

( ) ( )

2

2

2

22

21

12

21

1

2

1

11

222

2

2

12

2112

111

2

1

1

2

1

2

dQtt

dd

ddQtt

d

Qtt

ttddd

ttddttdQ

fp

pp

pf

fp

pp

pf

=

=

=

=

==

2

2

2211

2

1

21

2

2

221

12

1

2

1

21

1

2

11

1

2

1

dddd

ttQ

ddd

dd

dQtt

ff

ff

++

=

+

+=

[W]

Q=Ksf(tf1-tf2)

STRUCTURI GEOMETRICE OARECARE

13


14/53

22

2

221

2

121

1

111

1

1

2

21

3

2

1

3

2221

22211321

)(2

;1

1)(

tzytzyqqqneomogenazona

Rtqzona

mzyy

betonR

betonotelR

betonR

RRR

RRRRRRR

SSS

SS

S

S

S

S

SS

SSSSSSs

+=+=

==

=+

+

++

+=++=

22

2

21

2

1 tzyyqS

+=

zyzy

RS11

2

2

1121 1

== zyzy

RS22

2

2

2222

1

==

21

2

21

221

221

2211

2

2221

22212

11)(:

)(

)(

yyzmyyzdeoarece

yy

yy

zyyRR

RRR

SS

SSS

+==+

++

=+

=+

=

2y

1y

2

2

t3

3

t1

1

t

z

2

1

2

2 32

21mS=

sq

oel

beton

14

1SR

21SR

3SR

22SR

1 2 3


15/53

1

3

2211

221

1

1321

1

333

3

1

)(

;)(:3

++

++=++=

==

yy

yyRRRR

Rtqomogenazona

SSSS

SS

Calculul izolaiilor termiceCalculul izolaiilor termice se face pentru a evita pierderea de cldur n mediul

exterior a instalaiei de nclzire sau absorbia de cldur din exterior a instalaiei frigorifice.Toate instalaiile cu transfer de cldur se acoper cu materiale izolatoare. Toate acestemateriale au conductivitatea termic foarte mic. Straturile de izolaie constituie rezistenetermice n direcia transmiterii cldurii.

Izolaiile termice sunt formate n general dintr-un material izolator peste care se aazun strat mai subire de material protector.

Determinarea pierderilor de cldur n mediul ambiant

tf= temperature fluidului cald;to= temperatura mediului ambiant (aer)qS= pierderea specific de cldur

izt

izded

id

pt

sp

et

pt

izt

spiz

0t

t

iz Spp

it

e

i

p

Sq

perete izolaie

termicstrat protector

ft

et 0t

t

iz

Sp

p

it

e

i

p

lq

perete izolaie

termicstrat protector

ft

iz

spd

15


16/53

[ ]WSR

ttS

R

tSqQ

m

Wtt

RRRRR

tt

R

tq

St

of

S

S

esp

sp

iz

iz

p

p

i

of

SeSspSizSpSi

of

S

S

=

==

++++

=

++++

=

=

2;11

Pentru peretele cilindric:

++++

=

=

m

W

RRRRR

tt

R

tq

lelsplizlpli

of

t

l

espiz

p

pe

iz

izi

e

pii

of

l

dd

d

d

d

d

d

d

ttq

1ln

21

ln2

1ln

211 ++++

=

RSi,Rli= rezistena termic la transmiterea cldurii prin convecie de la fluidul cald ctre

pereteRSp ,Rlp= rezistena termic la transmiterea cldurii prin conducie n perete

RSiz ,Rliz= rezistena termic la transmiterea cldurii prin strat izolator

RSsp ,Rlsp= rezistena termic la transmiterea cldurii prin convecie n strat protector

RSe ,Rle= rezistena termic la transmiterea cldurii prin convecie de la stratul protector

ctre mediul nconjurtor

][WlR

ttl

R

tlqQ

l

of

l

l

=

==

Temperatura intermediar a pereilor:

t

ox

R

tq

ttt

==

xoox Rqtt =

eospizpife

speoizpifiz

izspeopifp

pizspeoifi

RqtRRRRqtt

RRqtRRRqtt

RRRqtRRqtt

RRRRqtRqtt

+=+++=

++=++=

+++=+=

++++==

)(

)()(

)()(

)(

Grosimea izolaiei termice pentru o pierdere de cldur datDate iniiale:

- (di, de, l) conduct

- tf, to

- spspiz ,,

- pierderile specifice de cldur ql sau totale Q

16


17/53

( )

+++

=

++++=

++++=

=

lelsplpli

l

of

iz

e

iz

espiz

sp

spe

iz

izi

e

pii

l

lelsplizlplil

l

of

l

RRRRq

tt

d

d

dd

d

d

d

d

d

dR

RRRRRR

R

ttq

2ln

1ln

2

1ln

2

1ln

2

11

Rli, Rlp =valori determinate ntruct se cunosc diametrele suprafeelor cilindrice izoterme.Celelalte rezistene termice depind de grosimea izolaiei.

Se alege o grosime, dup care se calculeaz fluxul termic care se transmite n exterior.Dac valoarea calculului coincide cu cea propus atunci calculul este ncheiat, dac nu sealege o alt grosime de izolaie i se calculeaz din nou fluxul termic.

Rlp, Rle se admit valori pentru iz

= 1

2 e

izeiz

d

dd

Pentru perete plan:

( )

+++

=

+++

=

esp

sp

p

p

iS

of

iziz

SeSspSpSi

S

of

iziz

q

tt

RRRRq

tt

11

- ql i qssunt valori recomandate.

Calculul grosimii izolaiei termice pentru o temperaturdat la suprafaa acesteia

Acest calcul se face din motive de protecie a muncii.Fluxul termic tramsmis din interiorul instalaiei ctre exterior este egal cu fluxul

termic absorbit de mediul nconjurtor.

e

iz

oeee

ofiz

e

iz

e

iz

e

iz

eiz

oe

e

iz

iz

of

lsplpli

le

oe

lsplizlpli

ef

d

dxunde

constxxttd

tt

d

d

d

d

d

dcufactoriambiiinmultim

d

tt

d

d

tt

RRRadmiteSe

R

tt

RRRR

tt

=

=

=

=

=

+++

:

ln)(

)(2ln

:___

1ln

2

1

0;0;0:_

Rezolvarea se poate face:

17


18/53

- grafic- prin ncercare- direct cu ajutorul tabelului

CURS NR 5.

RELAII CRITERIALE PENTRU CONVECIELa transmiterea cldurii prin convecie calculul coeficientului nu se poate face

analitic (matematic), deoarece nu se pot msura cu precizie, n orice moment, temperaturilepereilor n contact cu fluidele, iar depinde de foarte muli factori.

,...),,sup_,,,,,Pr,(Re,

][;

ldrafeteipozitiacGrf

WtSQ

p

==

Pentru calculul lui se folosesc relaii criteriale, care permit determinarea lui cuprecizie, la fel ca i n calculul analitic.

1. Criteriul Reynolds exprim raportul dintre forele de inerie i forele devscozitate.

=

wdRe

2. Criteriul Prandtl caracterizeaz proprietile fizice ale fluidului i se defineteca raportul dintre difuzivitatea molecular a impulsului i difuzivitatea molecular a cldurii.

= pc

Pr

3. Criteriul Pclet se definete ca fluxul transmis prin convecie supra fluxul termictransmis prin conducie la aceeai diferen de temperatur.

=

=

==

s

m

ca

calduriiteadifuzivitaa

a

dwPe

p

2

,

_

PrRe

4. Criteriul Nusselt reprezint raportul dintre gradientul de temperatur la suprafaaperetelui i un gradient de referin al temperaturii.

dNu =

5. Criteriul Stanton este raportul dintre fluxul transmis prin convecie i fluxultransmis de fluid.

pcwSt

NuSt

=

=

PrRe

6. Criteriul Grasshof caracterizeaz traseul de cldur la curgerea laminar i arat

influena forelor ascensionale n convecia liber.2

3

tdgGr

=

18


19/53

= coeficientul de dilataie termic care este n funcie de natura fluidului i detemperatur

g= acceleraia gravitaionald= diametrul de curgere = vscozitatea cinematic

7. Criteriul Biot caracterizeaz procesul de transmitere a cldurii prin conducientr-un regim tranzitoriu i este definit ca fiind raportul dintre rezistena termic intern laconducie i rezistena termic extern la convecie.

p

dBi

=

8. Criteriul Fourier caracterizeaz conducia tranzitorie. caracteizeaz influena timpului ntr-un proces de transmitere a

cldurii.

2d

aFo

= ;Nu sau St=f(Re,Pr, Gr,Pe,)

=

=

Cm

WStwc

Cm

WNu

d

op

o

2

2

,

,

Convecia poate fi liber sau forat.Convecia liber are loc datorit variaiei densitii cu temperatura (cureni de aer,

ap).Convecia forar la care deplasarea fluidelor se realizeaz nu pe baza diferenei de

densitate, ci cu ajutorul pompelor n cazul lichidelor sau a ventilatoarelor n cazul gazelor.Convecia liber:

n

mGrcNu Pr)( =- valorile lui m depind de mrimea suprafeei, forma suprafeei, de poziia acesteia.

Pentru curgerea intermediar Nusselt se determin din grafic:

Pentru curgerea turbulent:

R e1 04 3

3,0

43,0

Pr

PrPr

pNu

19


20/53

=

=

w

MiheuvluilatiaNup

l

Re

)__(RePr

PrPrRe021,0

25,0

43,08,0

= pcPr

l = coeficient ce depinde de geometria de curgere

=d

Lfl ; dac

d

L>50 atunci l=1

Pr= criteriul Prandtl la temperatura medie a fluidului respectivPrp = criteriul Prandtl a aceluiai fluid dar la temperatura peretelui

Ctto

mp 52 =

CURS NR 6.

Calculul diferenei de temperatur la convecie

maxt

2

1

tt

''

2

''

1

t

tmint

condensare(1)-fierbere(2)

1

2 mint

maxt

tt tt

''

2

''

1

t

t

condensare-nclzire rcire-vaporizare

1

2

20


21/53

1 1

1

22

2

''

2

''

1

t

t''

2

''

1

t

t

''

2

''

1

t

t

tt

tt

tt

mint mintmaxt

maxt

rcire-nclzire n curentparalel

rcire-nclzire n contracurent

tt

2 22

Rcire

Rcire

circulaie mixt circulaie mixt

21


22/53

Scheme de circulaie a fluidelor n schimbtoare de cldur:

Calculul diferenei medii de temperatur:

21

11

1

++

=

=

k

tAKQ med

1) dac %4max221minmax

min

max

=

+

=

tt

tt

t

med

a) echicurent

1

2

b) contracurent

1

2

c) curent ncruciat

21

d) curent mixt

22

'

1t

t

'

2t

medt

1t

2t

''

1t

''

2t

2

min

1

.

.

t

t

t

'

1t

t

mint ''2t

2t

Diagrama de temperatur a aparatului n echicurent (a) i contracurent (b)

b)


23/53

dac %15,1min

max


24/53

dou atunci cnd diametrul vasului este mai mare. Pentru nclzire se poate folosi ap caldsau abur a crei presiune atmosferic este max 50 N/cm2. Nivelul lichidului trebuie s fiemai ridicat dect nivelul mantalei pentru a funciona.

K=800- 1000 W/m2 oC

2. Schimbtoare de cldur cu serpentin n spiralSe folosesc numai pentru nclzirea lichidului care nu las depuneri. Agentul termic

circul prin interiorul serpentinei, aceasta fiid confecionat din eav de cupru a creidiametru nu depete 75mm. Serpentina poate fi aezat n spiral pe vertical sau poate fimontat pe fundul vasului. Vasele n care se monteaz pot fi cu fund plat sau bombat. Sefolosesc pentru nclziri sau rciri uoare.

Construcii de serpentine exterioare:

3.Schimbatoare cu tevi coaxiale- foarte eficiente, extrem de simple;- cele 2 tevi sunt coaxiale si creaza 2 spatii de circulatie pentru cei 2 agenti termici;

- un agent termic circula in interiorul tevii mici, iar celalalt circula prin spatiul dintrecele doua.- diametrul tevii mici este de maxim 75 mm.

24


25/53


26/53

Dispunerea evilor n placa schimbtorului de cldur multitubular se realizeaz pehexagoane, cercuri sau n vrfurile unghiurilor unui romb. Aezarea trebuie s fie compact,n centrul plcii fiind obligatorie prezena unei evi. Numrul total de evi este o progresiearitmetic cu raia 6:

n=3m(m+1)+1

m= numrul de cercuri sau de hexagoaneDiametrul mantalei se calculeaz astfel:D=2mp+4dem= numrul de hexagoane sau cercuri

p= pasul evilor (distana dintre centrele a dou evi). Se alege n funcie demodul de fixare a evilor pe plac:

p=1,25de n cazul suduriip=1,3- 1,5dela mandrinare

de=diametrul exterior al evilor ce formeaz fascicolul.

CURS NR 7.

Schimbtoare multitubulare cu mai multe treceri

Pentru creterea coeficientului global de transmitere a caldurii k in schimbatoarelemultitubulare se pot monta sicane:

-transversale-longitudinale

Transferul de caldura cu sicane transversale:-se prezinta sub forma de sectoare de cerc montate la diverse inaltimi in

interiorul schimbatorului;-datorita lor drumul parcurs de fluid este sinos, miscarea devine turbulenta iar

transferul de caldura se intensifica;Pentru intensificarea transferului de caldura se pot monta in capac pereti despartitori,

realizandu-se astfel schimbatorul cu mai multe treceri. Daca se monteaza un pereteschimbatorul are 2 treceri iar racordurile de alimentare si evacuare se gasesc pe acelasicapac. Daca se monteaza 2 pereti despartitori,schimbatorul are 3 treceri iar racordurile de

alimentare si evacuare se gasesc pe capace diferite.

Schimbatorul de caldura cu sicane transversale sub forma de segmente:

26


27/53

La schimbatoarele cu pereti despartitori se realizeaza mai multe treceri, ceea ceinseamna ca acelasi debit trece printr-un numar mai mic de tevi.

Acest lucru duce la: - cresterea vitezei;

- cresterea Re;- cresterea Nu, ;- cresterea k;

Cresterea lui k va determina micsorarea suprafetei de schimb de caldura.

Schimbatorul de caldura cu doua treceri prin tevi:

Sicanele longitudinale se monteaza in placa de sustinere inferioarasi superioaraalternativ. Aceasta determina cresterea drumului parcurs de lichidul care trece printre tevisi intensificarea schimbului de caldura.

In cazul in care diferenta de temperatura intre cei 2 agenti termici >20C,

schimbatoarele sunt prevazute cu lentile de dilatatie cu cap flotant sau cu tevi in forma deU care sa poata prelua dilatarea diferita a mantalei fata de cea a tevilor.

27


28/53

Schimbtoare de cldur cu spiral- este unul dintre cele mai eficiente schimbtoare de

cldurK= 3500- 5000 W/m2 o

CUn astfel de schimbtor este construit din dou table din oel- inox, unite ntre la un

capt printr-un perete despritor i ndoite n form de spiral. La ambele capeteschimbtorul este nchis de ctre un capac pe care se gsesc montate pe arcuri concentrice

piese de distanare ce menin distana constant dintre cele dou table.Avantaj: este un schimbtor extrem de compact, ocup o suprafa mic, are 80 m2

suprafa de schimb de cldur pe m3 de schimbtor.Un m3 din acest schimbtor echivaleaz cu 150 m2 schimbtor multitubular.Avantajele folosirii lui:

- seciunea de curgere a celor dou fluide este constant, deci viteza este constant,pierderile de presiune sunt extrem de mici iar eroziunea schimbtorului este redus;- nu au loc depuneri, ceea ce permite o igeinizare uoar a schimbtorului de cldur;- viteze foarte mari de circulaie: pentru lichide 3 m/s i pentru aburi 20 m/s.

Schimbtoarele de cldur cu plci sunt printre cele mai utilizate in industriaalimentara.

- formate dintr-un numr de plci de tabl de inox strnse sub form de pachete cuajutorul unui urub de strngere sau hidraulic. Pachetele de plci, la fel ca i la filtrul cu

plci, sunt montate pe rame exterioare de 5meninere. Un astfel de schimbtor de cldureste format din trei tipuri de plci:

- plci de circulaie care sunt prevzute cu 4 orificii, cu suprafa ondulat pe ambeleplci pentru creterea suprafeei de schimb de cldur i pentru dirijarea circulaieilichidelor;

- plci de lucru care sunt prevzute numai cu 2 orificii i au numai o suprafaondulat. Grosimea acestei table este mai mare i ele nchid schimbtorul la ambele capete.

- plci intermediare care au 4 orificii, au o structur uoar tip fagure i permitcirculaia fluidelor ntre pachetele de plci.

Avantaje:-este foarte simplu constructiv;-se curata usor;

28


29/53

-spatiul mic dintre tevi permite viteze mari de circulatie- k intre 3500-5000 W/ m 3 k

1- placa; 2- garnitura (din cauciuc siliconic); 3- sistem de fixare; K= 5000 W/m2 oC

Schimbtoare cu aripioareAripioarele se folosesc pentru creterea suprafeei de schimb de cldur (longitudinale

sau transversale). Schimbtoarele de cldur cu aripioare se folosesc n cazul n carecoeficienii de schimb de cldur ntre cei doi ageni termici sunt foarte diferii (ex: abur iaer nconjurtor). Aripioarele se monteaz de partea agentului termic care are mai mic(aerul n acest caz). Aripioarele pot fi transversale sau longitudinale.

Tipuri de evi cu aripioare:

Schimbtoare de construcie special

Schimbtoarele cu fascicul multitubular i spirale se folosesc n industria spirtului. Sempart n dou grupe:

- schimbtoare care utilizeaz doi ageni termici ce preiau cldura de condensare aaburului (se numesc deflegmatoare)

- schimbtoare n care agentul termic se condenseaz i respectiv rcete(condensatoare)

Schimbtoare de cldur mixt- multitubular cu serpentin n jurul evilor(deflegmator):

29

a)aripioare turnate b) aripioare circulare sudate c) aripioare ptrate sudate

1- element multitubular2- serpentin3- racord intrare vapori

4, 5- racord intrare ageni schimb de cldur6- evacuare condensat7- evacuare vapori necondensai8, 9- racord evacuare ageni de schimb decldur


30/53

Agentul de nclzire este abur, care circul n spaiul dintre evi i n exteriorulsepentinei. Aburul transmite celor dou suprafee de schimb de cldur, cldura sa latent decondensare. Prin serpentin circul borhotul care se nclzete pe seama aburului, iar prinevi circul ap. Cele dou suprafee de schimb de cldur lucreaz n paralel.

Schimbtor multitubular cu serpentin n serie (condensator):

Cele dou suprafee de schimb de cldur sunt aezate n serie. Aburul circul prinspaiul dintre evile fascicolului multitubular, iar condensul rezultat intr n interiorulserpentinei i se rcete. Apa rece circul n exteriorul serpentinei i rcete condensul dupcare intr n interiorul evilor i se nclzete.

CURS NR 8.

EVAPORAREA

Evaporarea este procesul de transformare a unui lichid n vapori.Fenomenul de trecere a lichidului n faz de vapori la temperatura de firbere se

numete evaporare.

Trecerea lichidului n faz de vapori la o temperatur mai mic dect cea de fierberese numete vaporizare.

30

1- fascicol multitubular2- serpentin3- intrare abur4- evacuare condens rcit5- intrare ap rece6- ieire ap cald


31/53

Evaporarea se poate realiza i pe seama cldurii interne a lichidului prin nclzireaacestuia la o presiune la care temperatura lui este superioar temperaturii de fierbere.

Scopul evaporrii l reprezint concentrarea produselor n substan uscat, care are caefect creterea stabilitii produsului respectiv.

Principalul agent termic utilizat este aburul.

Factorii care influeneaz procesul de evaporare:1) factori referitori la soluia care se concetraz: debitul de soluie, natura soluiei,temperatura de fierbere, stabilitatea termic a soluiei, tendina de a forma cruste,tendina de spumare, etc.

2) factori referitori la soluia concetrat: debitul de soluie, concentraia, stabilitatea eitermic, vscozitatea, tendina de a forma depuneri;

3) factori referitori la instalaie: tipul de instalaie (continu sau discontinu), naturamaterialului utilizat n instalaie, sistemul de izolaie, numrul de corpuri al uneiinstalaii de evaporare, legtura dintre corpurile de evaporare, etc.

Temperatura de fierbere a unei soluii depinde de cantitatea de substansolid dizolvat n aceasta.

Cu ct cantitatea de substan din solvat este mai mare cu att presiunea de vapori asoluiei scade i temperatura ei de fierbere crete.

Creterea temperaturii de fierbere este direct proporional cu concentraia soluiei.

)/(_

_tan

kgmolisolutieiiaconcentratc

icaebulioscoptaconsk

ckt

e

ee

==

=

n cazul soluiilor ce conin ca solvent apa:mte = 500,0

)_/(_ dizolvantkgmolimolalaiaconcentratm = (solvent)Pentru soluiile de fructe:

( )xe et

+= 045.005,038,0x=coninutul de substan uscat (%)

Presiunea din corpul de evaporare influeneaz temperatura de fiebere. nlimeacoloanei de lichid, n care are loc fierberea, influeneaz temperatura de fiebere.Temperatura de fierbere la suprafaa unui strat de lichid este diferit de temperatura defierbere la baza stratului de lichid.

Pentru a realiza evaporarea trebuie compensat creterea hidrostatic de temperatur

corpphph ttt .= +tp+h= temperatura de fierbere la presiunea din corpul de evaporare + presiunea creat de

coloan

tp.corp= temperatura de fierbere la presiunea din corpul de evaporare

Tendin a de spumaren procesul de evaporare la degajarea bulelor de vapori se pot antrena i picturi de

lichid i se formeaz spuma. Formarea spumei mpiedic transferul de cldur i duce la

31


32/53

pierderi de substan util. Se pot folosi substane tensioactive (trigliceride) sau, spumele potfi sparte prin agitare.

Tendin a de a forma crusteCrusta format transmite mult mai slab cldura. Formarea crustei determin pierderea

de substan util i modific proprietile soluiei concentrate.

Vscozitatea solu iilorLa creterea temperaturii vscozitatea scade, dar crete cu concentraia.

Tipuri de evaporare:a) cu simplu efect

b) cu efect multiplua) La evaporarea cu simplu efect cldura cedat de aburul primar se folosete o

singur dat. Vaporii secundari (rezultai din produs) se ndeprteaz din instalaie prinpurjare n atmosfer sau sunt trecui la condensare.b) Evaporarea cu efect multiplu: aburul primar se folosete numai n primul efect.

Aburul secundar rezultat din primul efect se va folosi ca agent termic n efectul doi, aburulsecundar rezultat din al doilea efect se folosete n urmtorul efect ca agent termic .a.m.d.

Bilan ul de materiale pentru evaporarea simpl : So= debitul iniial de soluie, kg/h

Sf= debitul final de soluie concentrat, kg/h

W= apa evaporat, kg/hsui= concentraia iniial a substanei uscat, %

suf= concentraia final a soluiei n substan uscat, %

So=Sf+W bilanul general

fufuio SssS = bilan parial

o

uf

uif S

s

sS = ;

=+=

uf

uioo

uf

uio

s

sSWWS

s

sS 1

CURS NR 9.

Bilanul caloric:

32


33/53

Wo= aburul primar folosit pentru nclziri

co, cf= cldura specific medie a soluiei la nceputul i la sfritul concentrrii, J/kg.grad

to, t1=temperatura de intrare i ieire a soluiei din evaporator

io

, i

= entalpia aburului primar, respectiv a aburului secundario

= entalpia condensului din aburul primar, Kj/kg

Q1= cldura adus de soluia care intr la concentrare

Q2= cldura adus de agentul de nclzire (abur primar)

Q3= cldura care iese din instalaie cu soluia concentrat

Q4= cldura care iese din instalaie cu aburul secundar

Q5= cldura care iese din instalaie cu condensul provenit din aburul primar

Q1+Q2=Q3+Q4+Q5Q= cldura transmis n instalaie

Q=Q2-Q5=Q3+Q4-Q1

)()()( 1//

1

///

///

111

//

///

1

//

tciWtctcSiiW

iWWtcWtcSiWtcS

WSS

iWWtcSiWtcS

foofoooo

ooffoooooo

of

ooiffooooo

=

++=+

=

++=+

///

1

//

///

1 )()(

oo

f

oo

oof

ooii

tciW

ii

tctcSW

+

= Debitul de abur primar necesar pentru

concentrarea soluiei

Se consider:///

1

//

1

oo

f

ofooii

tciWWtctc

==

Dac soluia iniial se aduce la temperatura de fierbere atunci:

rii

itcf

=

=///

/

1

r= cldura de condensare

ooo rii =///

Q3

Sf, c

f, t

1

Wo, io

Q5

W, iQ4

Wo

,

Q2

Q1

So, c

o, t

o

33


34/53

WWrr

r

rWW

oo

o

o

=

=

Deoarece 11 >>W

W

r

r o

o

(pentru fiecare kg de ap care se evapor se folosete mai

mult de 1kg de abur primar).

oo

f

ooo

f

foo

o

WSW

tci

iiW

tci

tctcSW

+=

+

=

1

//

///

1

//

1

= coeficient de evaporare= coeficient de autoevaporare

= raportul dintre cldura adus n instalaie de 1kg abur primar i cldura primit de1kg de ap care se evapor. Acesta este n totdeauna pozitiv.

= raportul dintre cldura adus n instalaie de 1kg de soluie iniial i cldurapreluat de 1kg ap care se evapor. Acesta poate fi i negativ atunci cnd soluia iniial areo temperatur mai mic dect temperatura din corpul respectiv.

Pierderile de cldur se estimeaz la 0,25- 3% din cldura care se transmite ninstalaie. Aceste pierderi determin o cretere a consumului de abur primar din instalaie.

Evaporarea cu efect multiplu

La evaporarea cu simplu efect consumul de abur primar este de 1,06- 1,2 kg aburprimar / kg ap evaporat. De asemenea pentru condensarea vaporilor secundari rezultai sefolosete o cantitate mare de ap de rcire. Pentru micorarea consumului de utiliti (abur

primar, abur de rcire) se folosesc sistemele de evaporare cu efect multiplu. ntr-un astfel desistem vaporii de ap secundari rezultai ntr-un corp de evaporare devin agent termic pentrucorpul urmtor. Vaporii secundari rezultai la ultimul corp de evaporare se trimit la

condensator, deci nu ntreaga cantitate de ap evaporat ajunge la condensator.Avantajele evaporrii cu efect multiplu:- ntr-o instalaie cu n efecte, consumul de abur primar/ kg ap evaporat este 1/n.- consumul de ap de rcire este mult mai mic deoarece la condensator ajung numai vaporiisecundari de la ultimul efect.

Parametrii evaporrii ntr-o instalaie cu efect multiplu:Dac to= temperatura aburului primar atunci temperatura de fierbere a soluiei n

primul corp, t1, trebuie s fie mai mic dect to: to>t1. Vaporii secundari rezultai n primulcorp de evaporare cu temperatura t1 sunt agent de nclzire pentru efectul doi, deci: t1>t2,

.a.m.d. to>t1>t2>>tnntre presiunile din corpurile de evaporare exist aceea relaie:

34


35/53

po>p1>p2>>pnDiferena tota de temperatur din instalaia de evaporare:

tt=to-tn unde tn= temperatura din ultimul corp de evaporareto= temperatura aburului primar

Diferena util de temperatur (cea care determin transferul de cldur):

tu= tt- ( te+ th+ tp)unde: te= creterea ebulioscopic de temperatir datorat prezenei substanelor dizolvate th= cteterea temperaturii de fierbere datorit presiunii coloanei hidrostatice de lichid

n care are loc fieberea tp= creterea temperaturii datorit pierderilor de presiune dintre corpuri (scpri la

nivelul conductelor de legtur dintre corpuri)Bilanul de materiale:Debitul de ap evaporat total: W

W1+W2++Wn= WWn

i =

1

I efect S1=So-W1II efect S2=S2-W2=So-W1-W2

n-1 efecte Sn-1=So-1

1

1

n

W

dac Sf=Sn nnn WSS += 1Sn=Sn-1 - Wn

Bilanul caloric (efect multiplu, curent paralel):

I efect So co to+Woio//=S1c1t1+W1i1//+Woio/

S1=So-W1

11//

1

11

11//

1

///

1tci

tctcS

tci

iiWW ooo

ooo

+

=

notm 111

//

///

=

tci

ii

o

oo coeficient de evaporare

111

//

1

11 =tci

tctc oocoeficient de autoevaporare

W1

i1

/

W2

i2

//W1

i1

//

Wo

io

/

Wo

io

//

So

co

to

S1

c1

t1 S

2c

2t2

35


36/53

oo SWW 111 +=

Dac occ 1 iar 1/

1 tci a= (ca= capacitatea caloric medie a apei)

/1

//1

11

/1

//1

///

1

/1

//1

1/

1//

1

///1

1//

1

1

1//

1

///

1

)(

)(

ii

ttc

ii

ii

iittcS

iiiiWW

tci

ttcS

tci

iiWW

oo

oo

ooo

ooo

a

ooo

a

ooo

=

=

+

=

+

=

II efecte S1 c1 t1+W1i1//=S2c2t2+W2i2//+W1i1/

S1i S2 se expliciteaz din ecuaia de bilan material

n

nnon

n

nn

n

i

i

o

aonnnn

o

ao

o

o

ao

r

ttc

rr

Wc

cSWW

Wc

cSWW

ii

ttcW

c

cS

ii

iiWW

)(

...............................................

)()(

1

1

1

1

1

12122

/

2

//

2

211/

2

//

2

/1

//1

12

=

=

+=

+=

+

=

=

= piedere de cldur, %

n

nnn

r

r 11)1(

36


37/53

Instalaia de evaporare cu efect multiplu n curent paralel:

1- rezervor de alimentare; 2- pomp; 3- debitmetru; 4- prenclzitor; 5, 6, 7-evaporatoare; 8, 9, 10, 11- separatoare de condensat; 12- rezervor de produs finit; 13-

condensator barometric; 14- separator de picturi.Instalatia are 3 efecte si este prevazuta cu un schimbator multitubular pentru

incalzirea solutiei la temperatura de fierbere din primul efect.Aburul primar este folosit ca agent termic pentru preincalzirea solutiei si pentru al

doilea efect. Celelalte efecte folosesc agent termic aburul secundar din efectul precedent.Solutia circula liber intre efecte datorita diferentei de presiune dintre acestea.Din ultimul efect solutia este evacuata cu ajutorul unei pompe centrifuge.Aburul din ultimul efect este trimis la condensatorul barometric unde condenseaza

prin circulatia in contracurent cu apa de racire.Diferentele de presiune dintre corpuri sunt mentinute cu o pompa de vid care asigura

si depresiunea din condensatorul barometric.

condensatcondensat

14

abur

ap

13

12

2

111098

765

4

3

21

37


38/53

Instalaia cu evaporare cu dublu efect cu circulatii in paralel cu efect dublu

pentru abur( n contracurent)

1-rezervor de alimentare cu solutie; 2,3-corpuri de evaporare; 4-condensatorisemibarometrici; 5,6-separatoare de condensare; 7,8,9pompe centrifuge

Funcionarea acestei instalaii se bazeaz pe variaia vscozitii cu concentraia itemperatura. La creterea concentraiei vscozitatea crte. La creterea temperaturiivscozitatea scade. n cazul circulaiei n paralel a aburului i a soluiei, soluia cea maiconcentrat (din ultimul corp) care este i cea mai vscoas e evacueaz la temperatura cea

mai mic. Din acest motiv n cazul circulaiei n contracurent soluia concentrat seevacueaz din instalaie la temperatura cea mai ridicat, ceea ce face posibil scoaterea eimai uor din instalaie, deoarecep2


39/53

- cu 5 efecte 0,28 7,5Dup efectul 5 investiia n alte efecte nu se mai justific economic.

CURS NR 10.TIPURI DE EVAPORATOARE

Evaporatoarele se clasific dup mai multe criterii. Dup poziia suprafeei de schimbde cldur avem:

- evaporatoare cu suprafaa de schimb de cldur n interior;- evaporatoare cu suprafaa de schimb de cldur n exterior.

Evaporatoarele cu suprafaa de schimb de cldur n interiorau suprafaa deschimb de cldur format dintr-un fascicul multitubular care este susinut inferior de cte o

plac. Agentul termic aburul circul printre evi i cedeaz cldura latent de condensare.

Fig.4.3. Evaporator multitubular1. carcas; 2. evi verticale; 3. plac intermediar de dirijare; 4. capac; 5,6. racorduri intrare

ieire lapte; 7,8. racorduri intrare ieire aburDiametrul evii mari este de 200-800 mm, iar a celorlalte evi de 30-800mm. nlimea evii

este ntre 2,5-5 m.Datori faptului c eava de circulaie are diametrul mult mai mare dect celelalte evi,soluia care circul prin evile mici. n eava central soluia va circula de sus n jos i de jos

corpul de evaporarefascicul de evieav de circulaiecamer de vaporiseparator de picturi

39


40/53

n sus n evile mici n care densitatea soluiei este mai mic iar bulele de vapori formatedetermin o micare convectiv de jos n sus. Procesul se ntrerupe atunci cnd produsulajunge la concentraia dorit. Vaporii degajai din soluie se ridic n camera de vaporisituat deasupra fascicolului multitubular i cu diametru mai mare dect acesta. Amesteculde vapori i picturi de soluie antrenate lovete separatorul de picturi, picturile se rentorc

n soluie iar vaporii ajung la condensator.Se folosesc n industria zahrului i a glucozei.K=600- 1500 W/(m2 oC)

Evaporatoarele cu suprafaa de schimb separat au o nlime mult mai micdect evaporatoarele clasice, i necesit un spaiu mai restrns pentru amplasare. Ele pot fide dou tipuri:- dup poziia suprafeei:

- cu suprafaa de schimb de cldur vertival;- cu suprafaa de schimb de cldur nclinat.

- dup modul de circulaie a soluiei:- cu circulaie natural (fr pompe);- cu circulaie forat.

Evaporator cu suprafaa de schimb de cldur vertical i circulaie natural:

Evaporator cu suprafaa de schimb de cldur nclinat i circulaie

natural:

3

2

concentrat

4

condensat

abur

alimentare

1

5 1- suprafaa de schimb decldur2- separator de picturi3- conduct de legtur ntreschimbtor i separator

4- conducta de evacuare lichiddin separator5- separator de picturi

4

3

Abursecundar Abur

Alimentare

Concentrat

1

2

40


41/53

Soluia supus concentrrii se nclzete n schimbtorul 1, dup care datorit foreiascensionale creat de bulele de vapori intr n conducta 3 aezat perpendicular sautangenial la vasul n care are loc separarea picturilor.

Atunci cnd conducta este perpendicular, separarea lichidului de vapori se realizeazdatorit schimbrii direciei de circulaie.

Cnd conducta este tangenial, separarea are loc pe baza forei centrifuge careimprim amestecului o micare elicoidal n interiorul separatorului. Din camera de vapori3, aburul secundar este trimis la condensare, iar soluia dac nu are concentraiacorespunztoare este trimis prin conducta 4 din nou la nclzire. Dac are concentraiadorit se nchid ventilele de comunicare cu conducta 4 i soluia concentrat este evacuat.

Evaporator cu circulaie forat:n cazul circulaiei foratesuprafaa de schimb de cldur este aezat orizontal, iar

circulaia lichidului n schimbtor este asigurat de ctre o pomp.

Evaporatoarele n pelicul:Concentrarea soluiilor n acest evaporator se realizeaz ntr-un timp foarte scurt decteva secunde printr-un strat de lichid de forma unei pelicule de civa milimetri.

Dup sensul de curgere a peliculei evaporatoarele pot fi:- cu pelicul ascendent;- cu pelicul descendent.

Dup modul de realizare a peliculei pot fi:- cu pelicul realizat datorit curgerii naturale;- cu pelicul realizat mecanic.

Evaporatoarele cu pelicul ascendent sunt mai puin folosite, deoarece existposibilitatea ca suprafaa de schimb de cldur s rmn neacoperit de lichid i s sedegradeze.

Evaporatoare cu pelicul descendent n curgere liber:

41


42/53

Placa 3 are orificiile mai mici dect diametrul evilor, dar cu centrul n centrul evilor.Cea de-a doua plac are orificiile situate n aceeai poziie, cu centrul geometric ntriunghiului format din centrele a trei evi. Lichidul este introdus n partea superioar sub

presiune, ajunge pe prima plac unde se formeaz o pelicul ce curge pe cea de-a doua

plac. Orificiul celei de-a doua plci determin grosimea plcii. ntre cele dou plci lichidulsufer detente consecutive care determin degajarea unei cantiti de vapori. La parteasuperioar exist racord pentru evacuarea vaporilor i a gazelor necondensabile.

Evaporatoare cu pelicul descendent realizat mecanic(Luwa):

Evaporatorul este format dintr-un corp cilindric de nlime mare i diametru mic. nexterior pe 2/3 din suprafaa sa este montat mantaua de nclzire secionat n dou pri.Deasupra suprafeei de nclzire se gsete o parte cilindric cu diametrul mai mare dectaceasta n care este camera unde se degaj vaporii i unde se va realiza separarea picturilor.Central evaporatorul este prevzut cu un ax pe care se rotesc mai multe palete. Distana

3

2

1

1- placa de susinere a evilor2, 3- plci montate n capacul evaporatorului

pentru distribuia lichidului

2

Abur

Alimentare

1

3

4

Abur secundar

Condensat

Concentrat

42


43/53

dintre palete i peretele interior al evaporatorului determin grosimea peliculei. Paletele seprelungesc i n camera de vapori, determinnd prin micarea lor separarea picturilor.Concentrarea ntr-un astfel de evaporator dureaz 1- 2 secunde.

K=2000- 3000 W/(m2 oC)

Evaporatoare de construcie special:Evaporator centriterm

Este format dintr-un rotor pe care sunt montate un numr de talere cu perei dubli.Aburul alimentat n interiorul talerelor pe care le nclzete. Soluia este alimentat pesuprafaa inferioar a talerelor i este distribuit sub form de pelicul datorit foreicentrifuge care se realizeaz la nvrtirea rotorului. Acceleraia realizat este 200g.Amestecul soluie concentrat vapori este lovit sub influena forei centrifuge de pereteleinterior al evaporatorului. n acest fel vaporii se separ de soluie. Vaporii secundari sendeprteaz pe racordul din dreapta, iar soluia concentrat prin partea superioar.Concentrarea are loc n 20- 30 secunde.

K=5000 W/(m2 oC)

Curs nr 11.

CONDENSAREA

Trecerea unui fluid din stare de vapori n stare lichid se numete condensare.

rotortalerecarcasa

43


44/53

n acest proces vaporii saturai cedeaz cldura lor de vaporizare unui agent de rcire(ap sau aer rece). Captarea i condensarea vaporilor ce se degaj dintr-o instalaie deevaporare se face n urmtoarele scopuri:

1) Recuperarea n stare lichid a substanelor ce prezint interes, care au trecut n stare devapori n operaia anterioar (de ex: captarea aromelor ce se degaj n timpul operaiei de

concentrare sau uscare).2) Realizarea unei depresiuni n instalaia de evaporare pentru ca acestea s se efectuezela o temperatur mai sczut. Depresiunea se produce datorit trecerii de la volumul mare alvaporilor saturai la volumul redus al lichidului condensat (de ex: la 100oC densitateavaporilor saturai de ap este 0,597 kg/m3 iar a apei 958 kg/m3, de unde rezult c latemperatura de 100oC volumul specific al vaporilor saturai de ap este de 1,66 m3/kg iar celal apei de 0,00104 m3/kg, adic de 1666 ori mai mare). Deoarece odat cu vaporii dininstalaie sunt antrenate i gazele necondensabile acestea sunt evacuate cu ajutorul pompelorde vid sau al ejectoarelor.

3) Recuperarea cantitii de cldur pe care o cedeaz vaporii pentru prenclzirea unuifluid ce urmeaz a intra n procesul tehnologic.4) Evitarea degajrilor de vapori n spaiul ncperilor de lucru, ceea ce ar conduce la un

microclimat nesntos (cald i umed) la umezirea materialelor, la ruginirea utilajelor, lacondensri pe tavane i perei care ar duce la degradarea lor.

Factorii care influeneaz procesul de condensare:- caracteristicile fizico- chimice ale materialului att n stare de vapori ct i n stare

lichid (densitate, temperatur, cldur specific);- caracteristicile fizico- chimice ale agentului de rcire;- vitezele vaporilor i ale agentului de rcire;- coninutul de gaze necondensabile;- intensitatea schimbului de cldur.

Metode de condensare:Condensarea poate fi realizat cu schimb direct i indirect.1) Condensarea cu schimb direct de cldur . Operaia de condensare se realizeaz

prin barbotarea vaporilor n ap rece utilizat ca agent de rcire. Aceast metod esteutilizat atunci cnd recuperarea vaporilor se face sub form de ap cald (amestec decondens i ap de rcire).

2) Condensarea cu schimb indirect de cldur . Cldura de condensare a vaporilor estecedat apei de rcire prin intermediul unei suprafee de schimb de cldur (ex: recuperareavaporilor solventului utilizat la extracia uleiului, recuperarea vaporilor de alcool etilic ninstalaia de distilare).

Tipuri de condensatoare:Condensatoarele se clasific dup urmtoarele criterii:I. Dup modul de realizare a schimbului termic:

- de amestec (cu schimb termic direct);- de suprafa (cu schimb termic indirect).

44


45/53

II. Dup modul de evacuare a condensului rezultat:- barometrice, la care evacuarea se realizeaz printr-o coloan barometric;- semibarometrice condensatoare cu pomp de evacuare.

III. Dup modul de evacuare a gazelor necondensabile:- cu evacuare comun a condensului i a gazelor;

- cu evacuare separat a gazelor cu ajutorul unei pompe de vid sau ejector.

CONDENSATOARE DE AMESTECn aceste condensatoare vaporii rezultai la evaporarea soluiilor sunt amestecai cu

apa de rcire n care se condenseaz. n condensatoarele de amestec presiunea este inferioarpresiunii atmosferice, dar este egal cu presiunea din corpul de evaporare de unde se aducvaporii secundari. Pentru meninerea presiunii constante n condensator, acesta se monteazla o nlime de aproximativ 10 m, evacuarea condensatului i a apei folosit la rcirerealizndu-se printr-o conduct numit coloan barometric. nchiderea etan a

condensatorului fa de atmosfer se realizeaz prin apa din coloana barometric; n acestscop coloana este introdus cu captul inferior pe o lungime de 0,5 m ntr-un bazin de ap ncare se colecteaz apa ce se scurge din condensator. n acest bazin este obligatoriemeninerea unui nivel constant de lichid cu ajutorul preaplinului, astfel nct s nu se

produc ieirea coloanei barometrice din ap i din admisia aerului n condensator.Condensatoarele de amestec pot funciona cu eliminarea condensatului mpreun cu apa dercire prin coloana barometric (fig. a-e) sau prin coloana de nlime mic, cu ajutorul unei

pompe (fig. f).

Condensatorul barometric cu talere i icane (fig. a) este format din corpulcilindric 1, terminat printr-un trunchi de con la care se sudeaz conducta barometric 2. ninteriorul corpului cilindric se monteaz talerele inelare 3 i alternnd cu acestea icanele 4sub form de discuri. Deasupra icanei superioare se monteaz un grtar 5 din tabl perforat

pentru distribuirea uniform a apei de rcire. Vaporii secundari produi n evaporator suntalimentai prin racordul 6, datorit uoarei depresiuni realizate n condensator de ctre

pompa de vid care elimin n permanen gazele necondensabile prin racordul 7. Apa dercire alimentat cu ajutorul unei pompe prin racordul 8, este distribuit pe talerul perforat,apoi curge n flux descendent de pe icane pe talere, realiznd astfel condensarea vaporilorcu care se ntlnete n contracurent. Apa i condensul obinut se scurg n coloana

barometric i apoi n rezervorul de acumulare 9 prevzut cu preaplinul 10 care elimin npermanen pn la nivel constant.

45


46/53

Preaplinul de evacuare a apei din rezervor i coloana barometric trebuie astfel alese,nct seciunea de trecere apei s asigure scurgerea acesteia, meninnd coloana plin cu ap

pn aproape de captul superior. Depirea nivelului apei peste captul superior ar puteaconduce la fenomenul de inundare a condensatorului. n acest caz se poate nchide racordul6, iar admisia aburului secundar este oprit, ceea ce conduce la creterea presiunii n corpulde evaporare.

Condensatorul cu talere perforate (fig. b) are construcie asemntoare cu acondensatorului cu icane, cu deosebirea c n interior se monteaz alternnd numai talerele

perforate 3 de forma unor sectoare de cerc. Pe poiunea liber, talerul are o bordur (prag), a

crui nlime asigur meninerea unui strat de ap necesar barbotrii i condensrii aburului.Surplusul de ap de pe taler curge, o parte prin orificii, iar alt parte deverseaz peste

bordur, ajungnd pe talerele inferioare i de aici se scurge pe conicitatea condensatorului ncoloana barometric.

5

1

9

10

2

87

6

4

3

1- corp condensator2- conduct barometric3- talere inelare4- icane5- grtar

6- racord vapori7- racord gaze necondensabile8- racord ap rcire9- rezervor acumulare10- preaplin

a)

Vapori+gazeCondensatGaze necondensabileFluid de rcire

1

9

10

2

87

6

b)7

9

10

2

8

6

c)

11

12

1

46


47/53

Condensatorul cu injectoare (fig. c) se utilizeaz n operaiile n care cantitatea devapori secundari este redus, ns debitul de gaze necondensabile este mare. Se impune nacest caz evacuarea total a acestor gaze care n situaia meninerii lor n evaporator ar ducela creterea presiunii, deci i a temperaturii de evaporare. n acest caz pe corpul cilindric 1 alcondensatorului se monteaz un ejector- injector astfel nct s aspire vaporii prin racordul

11. n injector se aduce fluid motor prin racordul 12. Prin mrirea energiei vaporilorsecundari, acetia sunt alimentai sub talerul inferior n condensator unde, ntlnind apa recece circul n contracurent, sunt condensai. Injectorul poate fi montat i n interiorulcondensatorului (fig. d).

Condensatorul cu jet(fig. e). La acest tip de condensator prin coloana barometricse evacueaz n amestec apa provenit din condensarea vaporilor i cea folosit la rcire

precul i gazele necondensabile. n interiorul condensatorului se monteaz un peretecilindric 13 sudat la partea superioar de capac, liber la partea inferioar. Conductele de ap

ptrund n interiorul corpului cilindric. La conducta superioar se monteaz un dispozitiv depulverizare a apei 14, iar pe conducta inferioar se afl mai multe orificii pentru mprtiereauniform a apei de rcire. Vaporii (mpreun cu gazele necondensabile provenite dinevaporator) sunt alimentai prin racordurile 6 n partea inelar a condensatorului, ocolesc n

curent descendent peretele cilindric, apoi se ridic prin ploaia de ap, unde vaporii de apsunt total condensai. Gazele necondensabile sunt antrenate de ploaia creat i evacuateodat cu acestea prin conducta barometric.

Condensatorul de nivel inferior(fig, f) funcioneaz cu pomp pentru evacuareacondensatului prin racurdul 8 i placa cu duze 16. Gazele necondensabile sunt evacuate prinracordul 7, dup ce mai nti au fost separate de eventualele picturi de ap, prin icanareacirculaiei, cu ajutorul peretelui despritor 13.

8d)

10

2

1

9

10

87

11 12 14

13

1

9

86

8

e)

15

16

1

13

3

7

47

f)


48/53

CONDENSATOARE DE SUPRAFASunt identice din punct de vedere constructiv cu schimbtoarele de cldur cu schimb

de cldur indirect (prin intermediul unei suprafee de schimb de cldur, pe care vaporiicondenseaz fie sub form de pelicul, fie sub form de picturi). Pot fi de mai multe tipuri:

1. Condensatoare multitubulare verticale (fig. g) care se construiesc n cele mai

multe cazuri cu o singur trecere, apa circulnd prin evile 1 de jos n sus, iar vaporii prinspaiul 2 dintre evi, de sus n jos, pentru a permite evacuarea imediat a condensatului.Gazele necondensabile sunt evacuate continuu pe la partea superioar 3 a spaiului dintreevi. Astfel de condensatoare se folosesc la condensarea vaporilor de spirt n instalaiile dedistilare.

fig. g fig. h

2. Condensatoare multitubulare orizontale (fig. h) sunt folosite la condensareavaporilor substanelor volatile mai grele pentru a le separa de substanele volatile mai uoareale cror vapori trecnd mai departe sunt condensai separat. La instalaia de distilare a

spirtului, ele sunt numite deflegmatoare i sunt amplasate lng coloana de distilare,deasupra ei, astfel nct substanele care se condenseaz s fie readuse n coloan la anumitenivele sub form de reflux. Deflegmatoarele pot avea dou circuite de fluide de rcire,respectiv unul pentru plmada I care n acest fel este prenclzit nainte de a fi introdus ncoloana de distilare iar al doilea pentru ap rece II, care servete la reglarea temperaturilor.

3. Condensatoare serpentin formate din evi cu aripioare (fig. i) servesc lacondensarea vaporilor lichidelor frigorifice i sunt construite sub form de pnze. Rcirea seface cu aer. Pentru ca n timp coeficientul de transmitere a cldurii s se menin la o valoareconstant, este necesar a se asigura o circulaie intens de aer rece, iar pe de alt parte

suprafaa de schimb de cldur s fie ferit de depuneri de impuriti.4. Condensatorul eav n eav (fig. j) este folosit n cazuri mai rare laprenclzirea apei. Apa rece circul prin tuburile interioare 1 iar vaporii prin tuburileexterioare 2.fig. i fig. j

48


49/53

5. Condensatorul mixt (fig. k) este construit dintr-o parte multitubular 1 montatdeasupra compartimentului de condensare de evi serpentin 2. Spaiul dintre evi comuniccu mantatua cilindric inferioar 3. Vaporii care pot conine gaze necondensabile sealementeaz prin racordul 4, strbat spaiul intertubular i se condenseaz, apoi condensulintr n serpentin, pentru a se rci. Condensul este eliminat prin racordul 5. Lichidul de

rcire este pompat prin racordul 6, strbate n flux ascendent serpentina, i apoi intr uornclzit n spaiul din evi unde primete cldura de condensare de la vapori. Lichidul cald seevacueaz pe la partea superioar prin racordul 7. Gazele necondensabile (sau vaporii maiuor volatili) se evacueaz prin racordul 8 aflat pe mantaua prii multitubulare.fig. k

NECESAR AP DE RCIRE

+= pei QQQ [J]

4321

0

QQQQ

Qp

+=+

=

Q1= cldura adus de vaporii secundari, [J]Q2= cldura adus de apa de rcire, [J]Q3 = cldura scoas cu condensul, [J]Q4 = cldura scoas cu apa de rcire, [J]

a) Condensatorul barometrictemperatura condensului= temperatura evacuare ap

if

fv

afaviav

fa

fv

ia

v

tctc

tciMMtcMMtcMiM

tcMQ

tcMQ

tcMQ

iMQ

=+=+

=

==

=

)()(

//

//

4

3

2

//

1

49


50/53

b) Condensatorul de suprafatcondens=tvaporilor

faviav tcMiMtcMiM +=+/// , [J]

)(

)(

)( ///

if

va

if

va

ttc

rMM

ttc

iiMM

=

=

DIMENSIUNEA COLOANEI BAROMETRICE

][,0HDac

[N/m2],

f

mg

pph

ghpHpca

o

ocfa

=

=

+=+

][,1

5,0

5,0

21

2

1

mhhhhH

mh

mh

oo +=++=

USCAREA

Uscarea este procesul de ndeprtare a solventului dintr-un produs.Uscarea se poate face prin dou moduri:

- prin fierbere : este asemntoare evaporrii i ea se realizeaz la temperatura de

fierbere a solventului. Se folosete atunci cnd urmrete i recuperarea solventului.- prin antrenare : folosete ca agent termic un gaz cald care aduce n proces cldura

necesar i n acelai timp scoate din instalaie vaporii de solvent (ap). Se folosete atuncicnd vaporii nu se recupereaz.

Factorii care influeneaz procesul de uscare:1. Factori referitori la produs: debitul de produs, umiditatea iniial a produsului,

stabilitatea lui termic.2. Factori referitori la agentul de uscare: debitul de agent de uscare, umiditatea lui

final, presiunea, gradul de puritate, coninutul de vapori.

3. Factori referitori la instalaia de uscare: instalaii continue sau discontinue, instalaiicare se deosebesc dup modul dup care se realizeaz uscarea, dup tipul de proces, dupmodul n care se introduce i se ndeprteaz din instalaie.

Tipuri de ap din produs: apa legat chimic (chemosorbit) este apa legat prin legturi covalente. La realizarea

acestei legturi se degaj cldur, iar ndeprtarea acestui tip de ap din produs serealizeaz mai greu, temperatura minim necesar ndeprtrii apei este de 115oC.

apa adsorbit aceast ap este legat prin legturi Van der Walls i acest tip de ap

se ndeprteaz cu efect termic mai mare deoarece la realizarea legturilor se degajcldur.

50


51/53

apa legat osmotic la care efectul de legare este 0, este cea care se ndeprteaz celmai uor (din capilare).

apa legat mecanic este egal cu diferena dintre apa total din produs i celelaltetipuri de ap legate n produs. n cazul unor materiale granulare structurile poroase dingranule permit legarea de ap. Acest tip de ap se ndepteaz uor.

Parametrii aerului: Umiditatea:

- absolut: este greutatea vaporilor dintr-un m3 de gaz umed- relativ (gradul de saturaie al aerului): reprezint greutatea vaporilor dintr-un m3 de

gaz umed raportat la greutatea maxim posibil la temperatur i presiune total.

10 max ==


52/53

v

v

a

va

v

pppx

M

vaporidepresiuneatotalapresiuneappp

M

=

==

=

97,28016,18

97,28

)___(

016,18

Aer umed saturat:pv=ps

uscataerkg

apavaporikg

pp

px

s

s

__

__,622,0

=

Entalpia gazului umed:ixtcI gaz +=

i= entalpia vaporilor de ap

x= coninutul de umiditatec= cldura specific a gazuluit= temperatura gazului

Punctul de rou este temperatura la care gazul cu un coninut constant deumiditate i la o stare dat devine saturat prin rcire.

Temperatura termometrului umed este temperatura la care gazul rcindu-se laentalpie constant devine saturat.

Diagrama I - x de stare a aerului umed leag toi parametrii: coninutul deumiditatex, entalpia specificI, temperatura.

BILANUL DE MATERIALEGi, Gf= debitul de mas al produsului iniial, respectiv final

We= debitul de mas de ap eliminatui, uf= umiditatea produsului iniial, respectiv final, %

=

=

==

=+=

f

ii

f

iiie

f

iifffii

fiefei

u

uG

u

uGGW

u

uGGGuGu

GGWGWG

100

1001

100

100

100

100)100()100(

f

fi

ie

f

if

ieu

uu

GWu

uu

GW

=

+= 100100

100100

Necesarul de aer pentru uscare:L= debitul masic de aer necesar antrenrii umiditii, [kg/s]xi, xf= umezeala aerului la intrare, respectiv ieirea din instalaie, [kg/kg aer uscat]

Bilan total:

if

eiffie

ffii

xx

WLxxLGGW

xLLGxLLG

===

++=++=

)(

Bilan caloric:- cldura adus de materialul uscat:

52


53/53

cf= cldura specific a materialului supus uscrii- cldura adus de umiditatea de eliminat: iae tcW =

ca= cldura specific a apei ti= temperatura iniial

- cldura adus de construcia usctorului: immm tcG

tim=temperatura iniial a materialelor- cldura adus de aerul necesar uscrii: oIL (entalpia aerului iniial din atmosfer)- cldura dat aerului n caloriferul exterior: Qe- cldura cu un calorifer n interiorul usctorului: Qi- cldura ieit cu materialul uscat: fff tcG

- cldura ieit cu elementele care aduc i deplaseaz produsul n usctor: fmmm tcG

- cldura evacuat cu aerul din usctor: 2IL - pierderile de cldur: Qp

114142361 curs fenomene de transfer sem ii

Documents