OPERATII SI APARATECURS NR 1.

Transferul de căldură

Este ştiinţa schimbului ireversibil de căldură între două corpuri, două părţi ale aceluiaşi corp sau între două fluide ăntre care există o diferenţă de temperatură.

Căldura este schimbul de energie dintre două corpuri într-o transformare în care nu se efectuează lucru mecanic.

Temperatura este parametru ce caracterizează din punct de vedere calitativ schimbul de căldură şi este expresia energiei interioare a mediului respectiv.

Transferul de căldură are loc cu respectarea celor două principii termodinamicii:- principiu I al conservării energiei- principiu II care arată sensul în care are loc schimbul de căldură adică de la corpul mai

cald la cel mai receUtilitate

1) întocmirea bilanţurilor puternice pentru un utilaj, secţie, fabricăQintrat=Oieşit+Qpirdut

- scopul bilanţului este acela de a micşora pierderile2) proiectării instalaţiilor: suprafaţa unui utilaj se calculează după fluxul termic care

străbate utilajul respectiv3) alegerea materialului pentru diverse materialeSchimbul de căldură poate avea loc prin 3 moduri: - conducţie

- convecţie- radiaţie

Conducţia şi convecţia au loc prin contact direct în schimb radiaţia are loc în mediu aflate la distanţă. Conducţia şi radiaţia au loc pe baza diferenţei de temperatură iar convecţia presupune şi trasfer de masă( deplasare de fluide)

Mărimi de bază

1) Câmp de temperatură: totalitatea valorilor de temperatură la un moment dat. Pentru nu punct M(x, y, z) câmpul de temperatură este dat de t=f(x, y, z, τ). Poate fi constant sau staţionar atunci când nu depinde de timp şi poate fi tranzitoriu, nestaţionar sau variabil cânt depinde de timp.

Câmp constant: t= f1(x, y,z) Câmp tranzitoriu: t=f(x, y, z, τ)Câmp tranzitoriu bidirecţional: t=f2(x, y,τ) unidirecţional t=f3(x,τ)

2) Suprafaţa izotermă: totalitatea punctelor care au la un moment dat aceeaşi temperatură. Punctele nu se intersectează deoarece ar exista puncte care au simultan aceeaşi temperatură.

3) Gradientul de temperatură( creşterea de temperatură): dacă se intersectează suprafeţele izoterme cu un plan se obţine o familie de curbe izoterme.

1

0C/m

4) Fluxul termic (Q) cantitatea de căldură care traversează o suprafaţă S de schimb de căldură în unitatea de timp

5) Densitatea fluxului termic (fluxul termic unitar) cantitatea de căldură transferată pe unitatea de suprafaţă de schimbul de căldură

Analogia electrică a schimbului de căldurăDouă sisteme sunt analoage atunci când sunt descrise ecuaţii similare, adică ecuaţiile ce

descriu funcţiile unui sitem pot deveni ecuaţia celuilat sistem prin simpla schimbare a variabilelor. Se poate face analogia între legea lui Ohm ce caracterizează procesul ce se desfăşoară în curent continuu şi fluxul termic ce caracterizează schimbul de căldură :

;

Dt- variaţia de timp, Rt- rezistenţa termică a instalaţieiAnalogia electrică a schimbului de căldură permite vizualizarea proceselor care au

loc în transferul de căldură prin realizarea unor circuite electrice echivalente. Fiecărui circuit termic se poate asocia un circuit electric echivalent.

Schimbul de căldură prin conducţie Conducţia este schimbul de căldură care are loc între două corpuri, două părţi ale

aceluiaşi corp, două fluide între care există contact fizic direct, transferul de căldură are loc de la particulă la particulă. Aici este prezentă legea lui Fourier:

W

A- suprafaţa de schimb de căldură m2, - coeficient termic W/m0C

- gradientul de temperatură pe direcţia lui x 0C/m

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

Conductivitatea de căldură : cantitatea de căldură schimbată printr-un m2 de suprafaţa de

t-Dt

Dln

t

t+Dt

n

2

schimb de căldură sub un gradient de temperatură de 0C/m- depinde de natura materialului, starea de agregare, temperatură şi presiune

W/m0C se ia din tabele

- conductivitatea termică poate creşte sau scădea cu temperatura Dacă t=0t=0(1 t)

La gaze t=0 , T se expimă în K

Ordin de mărime a conductivităţii

gaze la pres atm 0,006-0,22materiale izolante 0,02-0,2lichide, nemetale 0,04-0,55materiale de construcţii 0,03-3lichide, metale 8-140aliaje 14-300metale pure 7-500Materialele care au o conductivitate foarte scăzută se numesc materiale izolatoare. La

materialele cristaline conductivitatea este mai mare decât la cele amorfe. Conductivitatea este mai mare la materialele pure decât la aliaje. Prezenţa impurităţilor într-un material determină mi8cşorarea lui . Prelucrarea mecanică, expunerea la radiaţii determină micşorarea lui . este mai mare la solide decât la lichide. Coeficienţii termici cu valoare mare conduc căldura.

Schimbul de căldură prin convecţie Convecţia reprezină un proces complex de transmitere a căldurii în care odată cu

schimbul de energie, la contact fizic direct, are loc şi deplasarea fluidelor , adică convecţia presupune schimb de căldură între o suprafaţă solidă şi un fluid aflat în mişcare. Căldura de la suprafaţa solidă se transmite prin conducţie prin stratul adiacent de particule iar acestea, mărindu-şi energia , se vor deplasa către zone cu particule mai reci(transfer de masă). Aici întâlnim legea lui Newton

Q=A(tp-tf) W

W/m2

- coeficient de transmitere de căldură prin convecţie, depinde de l( geometria suprafeţei), v, p, tf, prop fizice ale suprafeţei solide şi a fluidelor

tp- temperatura suprafeţei solidetf- temperatura fluidului

Schimbul de căldură prin radiaţieRadiaţia are loc între corpuri aflate la distanţă între ele. Un corp poate absorbi radiaţia

emisă de un alt corp dar la rândul lui poate să emită radiaţie. Transmiterea căldurii are loc sub formă de unde magnetice ( a cărei lungime de undă este de 1-100) în domeniul infra roşucare la contactul cu corpul se transferă în căldură.

3

Legea: Q= AT4 Wcoeficient de absorbţie a radiaţiei pentru corpul negru=5,76*108 W/m2k4Schimbul de căldură are loc printr-un transfer simultan prin convecţie, conducţie şi

radiaţie. În calculeletehnice nu se ia în seamî radiaţia dacă temperatura corpului nu depăşeşte 200-3000C.

CURS NR 2.

Transferul de căldură prin conducţie prin pereţi plan paralel

4

tp-temperatura pereteluitp1tp2; S

Suprafeţele izoterme sunt plane şi paralele între ele. Dacă S atunci se pot neglija efectele de capăt ale peretelui care s-ar manifesta în neiniformitîţi a câmpului de temperatură. qsS

Fluxul termic ce trece prin conducţie în perete este dat de legea lui Fourier:

( considerăm câmpul termic unidirecţional)

x=o, t=tp1

x=, t=tp2

qs=/(tp1-tp2) W/m2

W

m2.0C/W

Distribuţia temperaturii în perete( Variaţia temperaturii în perete)

Considerăm un punct în interiorul peretelui situat la distanţa x de coordonate 0x

qs

x dx

Tp2

=ct

Tp1

dt

S

5

x=0; t=tp1

x; t=t(x) =ct

qsx=tp1-t(x)t(x)=tp1 x

qs=(tp1-tp2); qs= (tp1-tp2)t(x)=tp1-

0C

=0(1+t), - variază cu temperatura

qs=-0(1+t) qs=-0 -0t

=

W/m2

Valoarea medie a lui între două temperaturi se poate calcula în două moduri: - se calculează temperatura medie şi se citeşte valoarea lui la această temperatură - se citeşte valoarea lui la prima temperatură,apoi la cea de-a doua temperatură şi se face media lor.

Transferul de căldură între două fluide prin intermediu unui perete plan

qs

Tp1

Tf1

Dx

Dt1=qsRs1=qs

Dtp=qsRsp=qs

2

6

, - constante; tf1tf2, qv=0( fluxul termic volumetric W/m3 şi apare atunci când în perete se generează căldură) Fluxul termic care trece de la fluidul cald la perete este egal cu fluidul termic care trece prin perete şi este egal cu fluxul termic care trece de la perete la fluidul rece deoarece în perete nu se acumulează căldură. qs=1(tf1-

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

tp1-tp2=qs

tp2-tf2=qs

tf1-tf2=qs( + +

)qs= W/m2 Ks=

W/m2.0C transfer prin

convecţie; transfer ăprin conducţieqs=KsDt W/m2 sau

Q=KsSDt W Ks=coeficientul global de

qs

S

Dt2=qsRs2=qs

Tp2

Tp1

Tf2

Tf1

Dx

Dt1=qsRs1=qs

Dtp=qsRsp=qs

2

7

transmitere a căldurii prin convecţie şi conducţie q= ; Rt=

q=Dt= ; Rt conv= qs=

Rsp=rezistenţa termică la transmiterea căldurii prin conducţie în perete Rs2= rezistenţa termică la transmiterea căldurii prin convecţie de la perete la fluidul rece Rs1= rezistenţa termică la transmiterea căldurii prin convecţie de la fluidul cald la perete

Rt=Rs1+Rsp+Rs2= + +

Analogia electrică a transmiterii căldurii ne permite să calculăm căldura într-un punct oarecare din perete cunoscând o temperatură de referinţă şi rezistenţele termice de la punctul de referinţă până în punctul al cărei temperaturi se calculează.

Tx=t0t

tx=t0qsRt

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

tp2=tf1-qs( + )= tf2+qs

CURS NR 3.

Transferul de căldură prin pereţi cilindrici

Tf2

Rs2

Tp2

Rsp

Tp1

Rs1

Tf1

8

R1,r2- raza interioară şi raza exterioarăSuprafeţele izoterme sunt suprafeţe cilindrice concentrice a căror mărime

variază cu raza. Se presupune că lr pentru a se neglija efectele de capăt ale peretelui care ar însemna neuniformităţi ale câmpului de temperatură.

Deoarece S depinde de rază, fluxul termic unitar se raportează la

lungime(este aceeaşi). W/m

W

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

r=r1(d=d1); t=tp1

r=r2(d=d2); t=tp2

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

W/m

R1

R2

dr

L=1m

D2

D1

=ct

r

d

Tp1

Tp2

dt

9

Q=qll= W

m0C/W

Distribuţia temperaturii în peretele cilindricr1rr2; t=t(r)

- distribuţia

logaritmică 1,8

peretele cilindric poate fi considerat perete plan

=r2-r1=

Transferul de căldură între două fluide separate printr-un perete cilindric omogen

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

ql= =d(tf-tp) W/m

ql=d11(tf1-tp1)= =d22(tp2-tf2)

10

d2

d1

Tf2

Tp2

21

l

Tp1

t

Tf1

Fluxul termic care trece de la fluidul cald prin convecţie la peretele cilindric este egal cu fluxul termic care trece prin conducţie la peretele cilindric şi este egal cu fluxul termic care trece de la peretele cilindric către fluidul rece( în perete nu se acumulează căldură).

Tf1-tp1=

tp1-tp2=

tp2-tf2=

tf1-tf2=ql( + + )

W/m

Q=Kll(Rf1-Rf2)

Q= W

Ret=Rl1+Rep-Rl2=

Q=Ktl(Tf1-tf2); ql= =Kl(tf1-tf2)

CURS NR 4.

Transferul de căldură prin pereţi sferici

11

Tf2

Rl2Tp2

Rep

tp1Rl1Tf1

tp1tp2; r1r2;

Suprafeţele izoterme variază cu raza şi sunt sfere concentrice.

r=r1; t=tp2

r=r2; t=tp1

Transferul de căldură între două fluide prin intermediul unui perete sferic solid

tf1 tf2; S1=d12

Căldura care trece prin convecţie de la fluidul cald la peretele sferic este egală cu căldura ce trece prin conducţie în peretele sferic şi este egală cu căldura ce trece prin

2

dt

ttp1

tp2

t(r)

Q

tf1

d1

d2

tf2

12

convecţie de la peretele sferic la fluidul rece( în perete nu se scumulează căldură). convecţie

W

Q=Ksf(tf1-tf2)

STRUCTURI GEOMETRICE OARECARE

13

2y

1y

2

2

t 3

3

t1

1

t

z

2

1

2

2 32

21mS

sq

oţel

beton

14

1SR

21SR

3SR

22SR

1 2 3

Calculul izolaţiilor termiceCalculul izolaţiilor termice se face pentru a evita pierderea de căldură în mediul

exterior a instalaţiei de încălzire sau absorbţia de căldură din exterior a instalaţiei frigorifice. Toate instalaţiile cu transfer de căldură se acoperă cu materiale izolatoare. Toate aceste materiale au conductivitatea termică foarte mică. Straturile de izolaţie constituie rezistenţe termice în direcţia transmiterii căldurii.

Izolaţiile termice sunt formate în general dintr-un material izolator peste care se aşază un strat mai subţire de material protector.

Determinarea pierderilor de căldură în mediul ambiant

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

Pentru peretele cilindric:

izt

izdedid

pt

spet

pt

izt

spiz0t

t

iz Spp

it

ei

p

Sq

perete izolaţie termică

strat protector

ft

et 0t

t

izSp

p

it

ei

p

lq

perete izolaţie termică

strat protector

ft

iz

spd

15

RSi ,Rli= rezistenţa termică la transmiterea căldurii prin convecţie de la fluidul cald către perete

RSp ,Rlp= rezistenţa termică la transmiterea căldurii prin conducţie în pereteRSiz ,Rliz= rezistenţa termică la transmiterea căldurii prin strat izolatorRSsp ,Rlsp= rezistenţa termică la transmiterea căldurii prin convecţie în strat protectorRSe ,Rle= rezistenţa termică la transmiterea căldurii prin convecţie de la stratul protector

către mediul înconjurător

Temperatura intermediară a pereţilor:

Grosimea izolaţiei termice pentru o pierdere de căldură datăDate iniţiale:

- (di, de, l) – conductă- tf, to

- - pierderile specifice de căldură ql sau totale Q

Rli, Rlp =valori determinate întrucât se cunosc diametrele suprafeţelor cilindrice izoterme. Celelalte rezistenţe termice depind de grosimea izolaţiei.

Se alege o grosime, după care se calculează fluxul termic care se transmite în exterior. Dacă valoarea calculului coincide cu cea propusă atunci calculul este încheiat, dacă nu se alege o altă grosime de izolaţie şi se calculează din nou fluxul termic.Rlp, Rle – se admit valori pentru

16

Pentru perete plan:

- ql şi qs sunt valori recomandate.

Calculul grosimii izolaţiei termice pentru o temperatură dată la suprafaţa acesteia

Acest calcul se face din motive de protecţie a muncii.Fluxul termic tramsmis din interiorul instalaţiei către exterior este egal cu fluxul

termic absorbit de mediul înconjurător.

Rezolvarea se poate face: - grafic- prin încercare- direct cu ajutorul tabelului

CURS NR 5.

RELAŢII CRITERIALE PENTRU CONVECŢIELa transmiterea căldurii prin convecţie calculul coeficientului nu se poate face

analitic (matematic), deoarece nu se pot măsura cu precizie, în orice moment, temperaturile pereţilor în contact cu fluidele, iar depinde de foarte mulţi factori.

Pentru calculul lui se folosesc relaţii criteriale, care permit determinarea lui cu precizie, la fel ca şi în calculul analitic.

1. Criteriul Reynolds – exprimă raportul dintre forţele de inerţie şi forţele de vâscozitate.

17

2.

Criteriul Prandtl – caracterizează proprietăţile fizice ale fluidului şi se defineşte ca raportul dintre difuzivitatea moleculară a impulsului şi difuzivitatea moleculară a căldurii.

3. Criteriul Péclet – se defineşte ca fluxul transmis prin convecţie supra fluxul termic transmis prin conducţie la aceeaşi diferenţă de temperatură.

4. Criteriul Nusselt – reprezintă raportul dintre gradientul de temperatură la suprafaţa peretelui şi un gradient de referinţă al temperaturii.

5. Criteriul Stanton – este raportul dintre fluxul transmis prin convecţie şi fluxul transmis de fluid.

6. Criteriul Grasshof – caracterizează traseul de căldură la curgerea laminară şi arată influenţa forţelor ascensionale în convecţia liberă.

= coeficientul de dilataţie termică care este în funcţie de natura fluidului şi de temperatură

g = acceleraţia gravitaţionalăd = diametrul de curgere

= vâscozitatea cinematică7. Criteriul Biot – caracterizează procesul de transmitere a căldurii prin conducţie

într-un regim tranzitoriu şi este definit ca fiind raportul dintre rezistenţa termică internă la conducţie şi rezistenţa termică externă la convecţie.

8. Criteriul Fourier – caracterizează conducţia tranzitorie. – caracteizează influenţa timpului într-un proces de transmitere a căldurii.

;Nu sau St = f(Re, Pr, Gr, Pe,…)

18

Convecţia poate fi liberă sau forţată.Convecţia liberă are loc datorită variaţiei densităţii cu temperatura (curenţi de aer,

apă).Convecţia forţară la care deplasarea fluidelor se realizează nu pe baza diferenţei de

densitate, ci cu ajutorul pompelor în cazul lichidelor sau a ventilatoarelor în cazul gazelor.Convecţia liberă:

- valorile lui m depind de mărimea suprafeţei, forma suprafeţei, de poziţia acesteia.Pentru curgerea intermediară Nusselt se determină din grafic:

Pentru curgerea turbulentă:

εl = coeficient ce depinde de geometria de curgere

; dacă >50 atunci εl=1

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

CURS NR 6.

Calculul diferenţei de temperatură la convecţie

Re1043

3,0

43,0

Pr

PrPr

p

Nu

d

Nu

19

Scheme de circulaţie a fluidelor în schimbătoare de căldură:

maxt2

1

t

''2

''1

t

tmint

condensare(1)-fierbere(2)

1

2

mint

maxt

t t

mint''2

''1

t

t

''2

''1

t

t

condensare-încălzire răcire-vaporizare

maxt 1

2

1 1

1

22

2

''2

''1

t

t''

2

''1

t

t

''2

''1

t

t

tt

t

mint mintmaxt

maxt

răcire-încălzire în curentparalel

răcire-încălzire în contracurent

t

''2

''1

''2

t

t

t2 2

2

Răcire

Răcire

circulaţie mixtă circulaţie mixtă

a) echicurent

1

2

b) contracurent

1

2

c) curent încrucişat

21

d) curent mixt

20

'1t

t

'2t

medt1t

2t

''1t

''2t 2

min

1

.

.

t

t

t

a)'1t

t

mint

maxt

1tmedt

''1t

''2t

2t

Diagrama de temperatură a aparatului în echicurent (a) şi contracurent (b)

b)

Calculul diferenţei medii de temperatură:

1) dacă

dacă

2) dacă

3) dacă

4) În cazul curgerii mixte: ( cc=contracurent) f=f(P, R, schema de curgere)

SCHIMBĂTOARE DE CĂLDURĂ

Schimbătoarele de căldură sunt utilaje în care are loc răcirea sau încălzirea unor amestecuri. Se clasifică astfel:I. După modul de funcţionare:

- continuă- discontinuă

II. După forma constructivă a suprafeţei de schimb de căldură:- schimbătoare cu manta- schimbătoare cu spirală- schimbătoare multitubulare- schimbătoare cu plăci- schimbătoare cu aripioare

a) echicurent

1

2

b) contracurent

1

2

c) curent încrucişat

21

d) curent mixt

21

- schimbătoare de construcţie specială.

1. Schimbătoare cu manta

Sunt schimbătoare a căror diametre variază de la 1- 2m. Mnataua se montează în exteriorul vasului şi are un singur racord de alimentare (când diametrul este mai mic) sau două atunci când diametrul vasului este mai mare. Pentru încălzire se poate folosi apă caldă sau abur a cărei presiune atmosferică este max 50 N/cm2. Nivelul lichidului trebuie să fie mai ridicat decât nivelul mantalei pentru a funcţiona.

K=800- 1000 W/m2 oC

2. Schimbătoare de căldură cu serpentină în spirală Se folosesc numai pentru încălzirea lichidului care nu lasă depuneri. Agentul termic

circulă prin interiorul serpentinei, aceasta fiid confecţionată din ţeavă de cupru a cărei diametru nu depăşeşte 75mm. Serpentina poate fi aşezată în spirală pe verticală sau poate fi montată pe fundul vasului. Vasele în care se montează pot fi cu fund plat sau bombat. Se folosesc pentru încălziri sau răciri uşoare.

Schema schimbătorului de căldură cu manta:1- vas2- manta3- racorduri pentru circulaţia lichidului prin spaţiul delimitat de vas şi manta

22

Construcţii 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 dintre

cele doua.- diametrul tevii mici este de maxim 75 mm.-daca lungimea rezultata din calcul este mai are de 1 metru acesta se imparte in mai

multe elemente legate in serie.-in interiorul tevii mici circula agentul care se incalzeste iar printre tevi circula apa

calda sau aburul.

4.Schimbătoare multitubulare

Schimbătorele de căldură multitubulare au suprafaţa de schimb de căldură formată dintr-un fascicol de ţevi fixate la fiecare dintre capete în câte o placă de susţinere. Ambele plăci sunt fixate prin sudură de mantaua exterioară care înveleşte fascicolul de ţevi. La ambele capete schimbătorul este închis de câte un capac. Există câte două racorduri pentru fiecare dintre cele două fluide.

23

1- placă multitubulară2- ţeavă3- manta4- capac5, 6- racorduri alimentare- evacuare

În schimbătorul de căldură se crează două spaţii de circulaţie:- prin ţevi şi prin cele două camere create în interiorul capacelor- printre ţevi şi între cele două plăci tubulare.Cele două fluide schimbă căldura prin intermediul suprafeţei ţevilor.Moduri de fixare a ţevilor în placa tubulară:

Dispunerea ţevilor în placa schimbătorului de căldură multitubular se realizează pe hexagoane, cercuri sau în vârfurile unghiurilor unui romb. Aşezarea trebuie să fie compactă, în centrul plăcii fiind obligatorie prezenţa unei ţevi. Numărul total de ţevi este o progresie aritmetică cu raţia 6:

n=3m(m+1)+1m= numărul de cercuri sau de hexagoane

Diametrul mantalei se calculează astfel:D=2mp+4de

m= numărul de hexagoane sau cercurip= pasul ţevilor (distanţa dintre centrele a două ţevi). Se alege în funcţie de modul de fixare a ţevilor pe placă:

p=1,25de în cazul suduriip=1,3- 1,5de la mandrinare

de=diametrul exterior al ţevilor ce formează fascicolul.

CURS NR 7.

Schimbătoare multitubulare cu mai multe treceri

Pentru creşterea coeficientului global de transmitere a caldurii k in schimbatoarele multitubulare se pot monta sicane:

24

a) mandrinare b) mandrinare c) mandrinare cu d) sudură e) fixare demontabilă simplă cu răsfrăngerea nituri interioare cu garnitură de ţevilor etanşare

-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 perete schimbatorul are 2 treceri iar racordurile de alimentare si evacuare se gasesc pe acelasi capac. 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:

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

Acest lucru duce la: - cresterea vitezei; - cresterea Re; - cresterea Nu, α; - cresterea k;

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

Schimbatorul de caldura cu doua treceri prin tevi:

25

Sicanele longitudinale se monteaza in placa de sustinere inferioarasi superioara alternativ. Aceasta determina cresterea drumului parcurs de lichidul care trece printre tevi si intensificarea schimbului de caldura.

In cazul in care diferenta de temperatura intre cei 2 agenti termici >20ºC, schimbatoarele sunt prevazute cu lentile de dilatatie cu cap flotant sau cu tevi in forma de U care sa poata prelua dilatarea diferita a mantalei fata de cea a tevilor.

Schimbătoare de căldură cu spirală- este unul dintre cele mai eficiente schimbătoare de căldură K= 3500- 5000 W/m2 oC

Un astfel de schimbător este construit din două table din oţel- inox, unite între la un capăt printr-un perete despărţitor şi îndoite în formă de spirală. La ambele capete schimbătorul este închis de către un capac pe care se găsesc montate pe arcuri concentrice piese de distanţare ce menţin distanţa constantă dintre cele două table.

Avantaj: este un schimbător extrem de compact, ocupă o suprafaţă mică, are 80 m2

suprafaţă de schimb de căldură pe m3 de schimbător.Un m3 din acest schimbător echivalează cu 150 m2 schimbător multitubular.Avantajele folosirii lui:

- secţiunea de curgere a celor două fluide este constantă, deci viteza este constantă, pierderile de presiune sunt extrem de mici iar eroziunea schimbătorului este redusă;- nu au loc depuneri, ceea ce permite o igeinizare uşoară a schimbătorului de căldură;- viteze foarte mari de circulaţie: pentru lichide 3 m/s şi pentru aburi 20 m/s.

26

Schimbătoarele de căldură cu plăci sunt printre cele mai utilizate in industria alimentara.

- formate dintr-un număr de plăci de tablă de inox strânse sub formă de pachete cu ajutorul unui şurub de strângere sau hidraulic. Pachetele de plăci, la fel ca şi la filtrul cu plăci, sunt montate pe rame exterioare de 5menţinere. Un astfel de schimbător de căldură este format din trei tipuri de plăci:

- plăci de circulaţie care sunt prevăzute cu 4 orificii, cu suprafaţă ondulată pe ambele plăci pentru creşterea suprafeţei de schimb de căldură şi pentru dirijarea circulaţiei lichidelor;

- plăci de lucru care sunt prevăzute numai cu 2 orificii şi au numai o suprafaţă ondulată. Grosimea acestei table este mai mare şi ele închid schimbătorul la ambele capete.

- plăci intermediare care au 4 orificii, au o structură uşoară tip fagure şi permit circulaţia fluidelor între pachetele de plăci.

Avantaje:-este foarte simplu constructiv;-se curata usor;-spatiul mic dintre tevi permite viteze mari de circulatie- k intre 3500-5000 W/ m k

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

Schimbătoare cu aripioare

Aripioarele se folosesc pentru creşterea suprafeţei de schimb de căldură (longitudinale sau transversale). Schimbătoarele de căldură cu aripioare se folosesc în cazul în care coeficienţii de schimb de căldură între cei doi agenţi termici sunt foarte diferiţi (ex: abur şi aer înconjurător). Aripioarele se montează de partea agentului termic care are mai mic (aerul în acest caz). Aripioarele pot fi transversale sau longitudinale.

Tipuri de ţevi cu aripioare:

27

Schimbătoare de construcţie specială

Schimbătoarele cu fascicul multitubular şi spirale se folosesc în industria spirtului. Se împart în două grupe:

- schimbătoare care utilizează doi agenţi termici ce preiau căldura de condensare a aburului (se numesc deflegmatoare)

- schimbătoare în care agentul termic se condensează şi respectiv răceşte (condensatoare)

Schimbătoare de căldură mixt- multitubular cu serpentină în jurul ţevilor (deflegmator):

Agentul de încălzire este abur, care circulă în spaţiul dintre ţevi şi în exteriorul sepentinei. Aburul transmite celor două suprafeţe de schimb de căldură, căldura sa latentă de condensare. Prin serpentină circulă borhotul care se încălzeşte pe seama aburului, iar prin ţevi circulă apă. Cele două suprafeţe de schimb de căldură lucrează în paralel.

Schimbător multitubular cu serpentină în serie (condensator):

28

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

1- element multitubular2- serpentină3- racord intrare vapori4, 5- racord intrare agenţi schimb de căldură6- evacuare condensat7- evacuare vapori necondensaţi8, 9- racord evacuare agenţi de schimb de căldură

1- fascicol multitubular2- serpentină3- intrare abur4- evacuare condens răcit5- intrare apă rece6- ieşire apă caldă

Cele două suprafeţe de schimb de căldură sunt aşezate în serie. Aburul circulă prin spaţiul dintre ţevile fascicolului multitubular, iar condensul rezultat intră în interiorul serpentinei şi se răceşte. Apa rece circulă în exteriorul serpentinei şi răceşte condensul după care intră în interiorul ţevilor şi se încălzeşte.

CURS NR 8.

EVAPORAREA

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

numeşte evaporare.Trecerea lichidului în fază de vapori la o temperatură mai mică decăt cea de fierbere

se numeşte vaporizare.Evaporarea se poate realiza şi pe seama căldurii interne a lichidului prin încălzirea

acestuia la o presiune la care temperatura lui este superioară temperaturii de fierbere.Scopul evaporării îl reprezintă concentrarea produselor în substanţă uscată, care are ca

efect creşterea stabilităţii produsului respectiv.Principalul agent termic utilizat este aburul.Factorii care influenţează procesul de evaporare:

1) factori referitori la soluţia care se concetrază: debitul de soluţie, natura soluţiei, temperatura de fierbere, stabilitatea termică a soluţiei, tendinţa de a forma cruste, tendinţa de spumare, etc.

2) factori referitori la soluţia concetrată: debitul de soluţie, concentraţia, stabilitatea ei termică, vâscozitatea, tendinţa de a forma depuneri;

3) factori referitori la instalaţie: tipul de instalaţie (continuă sau discontinuă), natura materialului utilizat în instalaţie, sistemul de izolaţie, numărul de corpuri al unei instalaţii de evaporare, legătura dintre corpurile de evaporare, etc.

Temperatura de fierbere a unei soluţii depinde de cantitatea de substanţă solidă dizolvată în aceasta.

Cu cât cantitatea de substanţă din solvat este mai mare cu atât presiunea de vapori a soluţiei scade şi temperatura ei de fierbere creşte.

Creşterea temperaturii de fierbere este direct proporţională cu concentraţia soluţiei.

29

În cazul soluţiilor ce conţin ca solvent apa:

(solvent)Pentru soluţiile de fructe:

x=conţinutul de substanţă uscată (%)Presiunea din corpul de evaporare influenţează temperatura de fiebere. Înălţimea

coloanei de lichid, în care are loc fierberea, influenţează temperatura de fiebere. Temperatura de fierbere la suprafaţa unui strat de lichid este diferită de temperatura de fierbere la baza stratului de lichid.

Pentru a realiza evaporarea trebuie compensată creşterea hidrostatică de temperatură

tp+h= temperatura de fierbere la presiunea din corpul de evaporare + presiunea creată de coloanătp.corp= temperatura de fierbere la presiunea din corpul de evaporare

Tendinţa de spumareÎn procesul de evaporare la degajarea bulelor de vapori se pot antrena şi picături de

lichid şi se formează spuma. Formarea spumei împiedică transferul de căldură şi duce la pierderi de substanţă utilă. Se pot folosi substanţe tensioactive (trigliceride) sau, spumele pot fi sparte prin agitare.

Tendinţa de a forma crusteCrusta formată transmite mult mai slab căldura. Formarea crustei determină pierderea

de substanţă utilă şi modifică proprietăţile soluţiei concentrate.

Vâscozitatea soluţiilorLa creşterea temperaturii vâscozitatea scade, dar creşte cu concentraţia.

Tipuri de evaporare:a) cu simplu efectb) cu efect multiplu

a) La evaporarea cu simplu efect căldura cedată de aburul primar se foloseşte o singură dată. Vaporii secundari (rezultaţi din produs) se îndepărtează din instalaţie prin purjare în atmosferă sau sunt trecuţi la condensare.

b) Evaporarea cu efect multiplu: aburul primar se foloseşte numai în primul efect. Aburul secundar rezultat din primul efect se va folosi ca agent termic în efectul doi, aburul secundar rezultat din al doilea efect se foloseşte în următorul efect ca agent termic ş.a.m.d.

Bilanţul de materiale pentru evaporarea simplă:So= debitul iniţial de soluţie, kg/hSf= debitul final de soluţie concentrată, kg/hW= apa evaporată, kg/hsui= concentraţia iniţială a substanţei uscată, %

30

suf= concentraţia finală a soluţiei în substanţă uscată, %So=Sf+W bilanţul general

bilanţ parţial

;

CURS NR 9.

Bilanţul caloric:

Wo= aburul primar folosit pentru încălzirico, cf= căldura specifică medie a soluţiei la începutul şi la sfârşitul concentrării, J/kg.gradto, t1=temperatura de intrare şi ieşire a soluţiei din evaporatorio

’’, i’’= entalpia aburului primar, respectiv a aburului secundario

’= entalpia condensului din aburul primar, Kj/kgQ1= căldura adusă de soluţia care intră la concentrareQ2= căldura adusă de agentul de încălzire (abur primar)Q3= căldura care iese din instalaţie cu soluţia concentratăQ4= căldura care iese din instalaţie cu aburul secundarQ5= căldura care iese din instalaţie cu condensul provenit din aburul primar

Q1+Q2=Q3+Q4+Q5

Q= căldura transmisă în instalaţieQ=Q2-Q5=Q3+Q4-Q1

Debitul de abur primar necesar pentru

concentrarea soluţiei

Q3

Sf, cf, t1

Wo, io’

Q5

W, i’’

Q4

Wo, Q2

Q1

So, co, to

31

Se consideră:

Dacă soluţia iniţială se aduce la temperatura de fierbere atunci:

r= căldura de condensare

Deoarece (pentru fiecare kg de apă care se evaporă se foloseşte mai mult

de 1kg de abur primar).

= coeficient de evaporare= coeficient de autoevaporare

= raportul dintre căldura adusă în instalaţie de 1kg abur primar şi căldura primită de 1kg de apă care se evaporă. Acesta este în totdeauna pozitiv.

= raportul dintre căldura adusă în instalaţie de 1kg de soluţie iniţială şi căldura preluată de 1kg apă care se evaporă. Acesta poate fi şi negativ atunci când soluţia iniţială are o temperatură mai mică decât temperatura din corpul respectiv.

Pierderile de căldură se estimează la 0,25- 3% din căldura care se transmite în instalaţie. Aceste pierderi determină o creştere a consumului de abur primar din instalaţie.

Evaporarea cu efect multiplu

La evaporarea cu simplu efect consumul de abur primar este de 1,06- 1,2 kg abur primar / kg apă evaporată. De asemenea pentru condensarea vaporilor secundari rezultaţi se foloseşte o cantitate mare de apă de răcire. Pentru micşorarea consumului de utilităţi (abur primar, abur de răcire) se folosesc sistemele de evaporare cu efect multiplu. Într-un astfel de sistem vaporii de apă secundari rezultaţi într-un corp de evaporare devin agent termic pentru corpul următor. Vaporii secundari rezultaţi la ultimul corp de evaporare se trimit la condensator, deci nu întreaga cantitate de apă evaporată ajunge la condensator.

Avantajele evaporării cu efect multiplu:- într-o instalaţie cu n efecte, consumul de abur primar/ kg apă evaporată este 1/n.- consumul de apă de răcire este mult mai mic deoarece la condensator ajung numai vaporii secundari de la ultimul efect.

Parametrii evaporării într-o instalaţie cu efect multiplu:

32

Dacă to= temperatura aburului primar atunci temperatura de fierbere a soluţiei în primul corp, t1, trebuie să fie mai mică decât to: to>t1. Vaporii secundari rezultaţi în primul corp de evaporare cu temperatura t1 sunt agent de încălzire pentru efectul doi, deci: t1>t2, ş.a.m.d.

to>t1>t2>…>tn

Între presiunile din corpurile de evaporare există aceeaşă relaţie:po>p1>p2>…>pn

Diferenţa totaşă de temperatură din instalaţia de evaporare:tt=to-tn unde tn= temperatura din ultimul corp de evaporare

to= temperatura aburului primarDiferenţa utilă de temperatură (cea care determină transferul de căldură):

tu= tt - Σ ( te+ th+ tp) unde: te= creşterea ebulioscopică de temperatiră datorată prezenţei substanţelor dizolvate

th= cteşterea temperaturii de fierbere datorită presiunii coloanei hidrostatice de lichid în care are loc fieberea

tp= creşterea temperaturii datorită pierderilor de presiune dintre corpuri (scăpări la nivelul conductelor de legătură dintre corpuri)

Bilanţul de materiale:Debitul de apă evaporată total: W

W1+W2+…+Wn=

I efect S1=So-W1

II efect S2=S2-W2=So-W1-W2

………………………

n-1 efecte Sn-1=So-

dacă Sf=Sn Sn=Sn-1 - Wn

Bilanţul caloric (efect multiplu, curent paralel):

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

//+Woio/

S1=So-W1

W1 i1/

W2 i2//W1 i1

//

Wo io/

Wo io//

So co to

S1 c1 t1S2 c2 t2

33

notăm coeficient de evaporare

coeficient de autoevaporare

Dacă iar (ca= capacitatea calorică medie a apei)

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

//+W1i1/

S1 şi S2 se explicitează din ecuaţia de bilanţ material

= piedere de căldură, %

34

Instalaţia de evaporare cu efect multiplu în curent paralel:

1- rezervor de alimentare; 2- pompă; 3- debitmetru; 4- preîncălzitor; 5, 6, 7- evaporatoare; 8, 9, 10, 11- separatoare de condensat; 12- rezervor de produs finit; 13- condensator barometric; 14- separator de picături.

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

apă

13

12

2

111098

765

4

3

21

35

Instalaţia cu evaporare cu dublu efect cu circulatii in paralel cu efect dublu pentru abur( în contracurent)

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

Funcţionarea acestei instalaţii se bazează pe variaţia vâscozităţii cu concentraţia şi temperatura. La creşterea concentraţiei vâscozitatea crşte. La creşterea temperaturii vâscozitatea scade. În cazul circulaţiei în paralel a aburului şi a soluţiei, soluţia cea mai concentrată (din ultimul corp) care este şi cea mai vâscoasă şe evacuează la temperatura cea mai mică. Din acest motiv în cazul circulaţiei în contracurent soluţia concentrată se evacuează din instalaţie la temperatura cea mai ridicată, ceea ce face posibilă scoaterea ei mai uşor din instalaţie, deoarece p2<p1. Pentru circulaţia soluţiei în contracurent este nevoie de o pompă. Se foloseşte pentru concentrarea pastei de tomate care are vâscozitatea mare, iar la temperatură crescută vâscozitatea scade, şi ea poate fi îndepărtată uşor din instalaţie. Pasta stă mai puţin în instalaţie la temperatură ridicată.

Eficienţa şi numărul optim de evaporatoare al unei instalaţii cu efect multiplu

Instalaţie cu simplu efect: 1,05- 1,2 kg abur/apă evaporată 15- 60 kg apă răcire/ kg apă evaporare

I efect: 1 kg/kgII efecte: ½ kg/kgIII efecte: 1/3 kg/kgIV efecte: ¼ kg/kg

Nr. EfecteConsum de

Abur kg/kg Apă răcire kg/kg

7

65

4

32

1

8

abur

apă

36

- un efect 1,1 30- dublu efect 0,58 15,3- triplu efect 0,40 10,5- cu 4 efecte 0,32 8,2- cu 5 efecte 0,28 7,5 După efectul 5 investiţia în alte efecte nu se mai justifică economic.

CURS NR 10.

TIPURI DE EVAPORATOARE

Evaporatoarele se clasifică după mai multe criterii. După poziţia suprafeţei de schimb de căldură avem:

- evaporatoare cu suprafaţa de schimb de căldură în interior;- evaporatoare cu suprafaţa de schimb de căldură în exterior.

Evaporatoarele cu suprafaţa de schimb de căldură în interior au suprafaţa de schimb de căldură formată dintr-un fascicul multitubular care este susţinut inferior de câte o placă. Agentul termic – aburul circulă printre ţevi şi cedează căldura latentă de condensare.

Fig.4.3. Evaporator multitubular1. carcasă; 2. ţevi verticale; 3. placă intermediară de dirijare; 4. capac; 5,6. racorduri intrare –

ieşire lapte; 7,8. racorduri intrare – ieşire abur

corpul de evaporarefascicul de ţeviţeavă de circulaţiecameră de vaporiseparator de picături

37

Diametrul ţevii mari este de 200-800 mm, iar a celorlalte ţevi de 30-800mm. Înălţimea ţevii este între 2,5-5 m.

Datoriă faptului că ţeava de circulaţie are diametrul mult mai mare decât celelalte ţevi, soluţia care circulă prin ţevile mici. În ţeava centrală soluţia va circula de sus în jos şi de jos în sus în ţevile mici în care densitatea soluţiei este mai mică iar bulele de vapori formate determină o mişcare convectivă de jos în sus. Procesul se întrerupe atunci când produsul ajunge la concentraţia dorită. Vaporii degajaţi din soluţie se ridică în camera de vapori situată deasupra fascicolului multitubular şi cu diametru mai mare decât acesta. Amestecul de vapori şi picături de soluţie antrenate loveşte separatorul de picături, picăturile se reîntorc în soluţie iar vaporii ajung la condensator.

Se folosesc în industria zahărului şi a glucozei.K=600- 1500 W/(m2 oC)Evaporatoarele cu suprafaţa de schimb separată au o înălţime mult mai mică

decât evaporatoarele clasice, şi necesită un spaţiu mai restrâns pentru amplasare. Ele pot fi de două tipuri:- după poziţia suprafeţei:

- cu suprafaţa de schimb de căldură vertivală;- cu suprafaţa de schimb de căldură înclinată.

- după modul de circulaţie a soluţiei:- cu circulaţie naturală (fără pompe);- cu circulaţie forţată.

Evaporator cu suprafaţa de schimb de căldură verticală şi circulaţie naturală:

Evaporator cu suprafaţa de schimb de căldură înclinată şi circulaţie naturală:

3

2

concentrat

4

condensat

abur

alimentare

1

5 1- suprafaţa de schimb de căldură2- separator de picături3- conductă de legătură între schimbător şi separator4- conducta de evacuare lichid din separator5- separator de picături

38

Soluţia supusă concentrării se încălzeşte în schimbătorul 1, după care datorită forţei ascensionale creată de bulele de vapori intră în conducta 3 aşezată perpendicular sau tangenţial la vasul în care are loc separarea picăturilor.

Atunci când conducta este perpendiculară, separarea lichidului de vapori se realizează datorită schimbării direcţiei de circulaţie.

Când conducta este tangenţială, separarea are loc pe baza forţei centrifuge care imprimă amestecului o mişcare elicoidală în interiorul separatorului. Din camera de vapori 3, aburul secundar este trimis la condensare, iar soluţia dacă nu are concentraţia corespunzătoare este trimisă prin conducta 4 din nou la încălzire. Dacă are concentraţia dorită se închid ventilele de comunicare cu conducta 4 şi soluţia concentrată este evacuată.

Evaporator cu circulaţie forţată:În cazul circulaţiei forţate suprafaţa de schimb de căldură este aşezată orizontal, iar

circulaţia lichidului în schimbător este asigurată de către o pompă.

Evaporatoarele în peliculă:Concentrarea soluţiilor în acest evaporator se realizează într-un timp foarte scurt de

câteva secunde printr-un strat de lichid de forma unei pelicule de câţiva milimetri.După sensul de curgere a peliculei evaporatoarele pot fi:

- cu peliculă ascendentă;- cu peliculă descendentă.

După modul de realizare a peliculei pot fi:- cu peliculă realizată datorită curgerii naturale;- cu peliculă realizată mecanic.

4

3

Abursecundar Abur

Alimentare

Concentrat

1

2

39

Evaporatoarele cu peliculă ascendentă sunt mai puţin folosite, deoarece există posibilitatea ca suprafaţa de schimb de căldură să rămână neacoperită de lichid şi să se degradeze.

Evaporatoare cu peliculă descendentă în curgere liberă:

Placa 3 are orificiile mai mici decât diametrul ţevilor, dar cu centrul în centrul ţevilor. Cea de-a doua placă are orificiile situate în aceeaşi poziţie, cu centrul geometric în triunghiului format din centrele a trei ţevi. Lichidul este introdus în partea superioară sub presiune, ajunge pe prima placă unde se formează o peliculă ce curge pe cea de-a doua placă. Orificiul celei de-a doua plăci determină grosimea plăcii. Între cele două plăci lichidul suferă detente consecutive care determină degajarea unei cantităţi de vapori. La partea superioară există racord pentru evacuarea vaporilor şi a gazelor necondensabile.

Evaporatoare cu peliculă descendentă realizată mecanic(Luwa):

3

2

1

1- placa de susţinere a ţevilor2, 3- plăci montate în capacul evaporatorului pentru distribuţia lichidului

40

Evaporatorul este format dintr-un corp cilindric de înălţime mare şi diametru mic. În exterior pe 2/3 din suprafaţa sa este montată mantaua de încălzire secţionată în două părţi. Deasupra suprafeţei de încălzire se găseşte o parte cilindrică cu diametrul mai mare decât aceasta în care este camera unde se degajă vaporii şi unde se va realiza separarea picăturilor. Central evaporatorul este prevăzut cu un ax pe care se rotesc mai multe palete. Distanţa dintre palete şi peretele interior al evaporatorului determină grosimea peliculei. Paletele se prelungesc şi în camera de vapori, determinând prin mişcarea lor separarea picăturilor. Concentrarea într-un astfel de evaporator durează 1- 2 secunde.

K=2000- 3000 W/(m2 oC)

Evaporatoare de construcţie specială: Evaporator centriterm

2

Abur

Alimentare

1

3

4

Abur secundar

Condensat

Concentrat

rotortalerecarcasa

41

Este format dintr-un rotor pe care sunt montate un număr de talere cu pereţi dubli. Aburul alimentat în interiorul talerelor pe care le încălzeşte. Soluţia este alimentată pe suprafaţa inferioară a talerelor şi este distribuită sub formă de peliculă datorită forţei centrifuge care se realizează la învârtirea rotorului. Acceleraţia realizată este 200∙g. Amestecul soluţie concentrată – vapori este lovit sub influenţa forţei centrifuge de peretele interior al evaporatorului. În acest fel vaporii se separă de soluţie. Vaporii secundari se îndepărtează pe racordul din dreapta, iar soluţia concentrată prin partea superioară. Concentrarea are loc în 20- 30 secunde.

K=5000 W/(m2 oC)

Curs nr 11.

CONDENSAREA

Trecerea unui fluid din stare de vapori în stare lichidă se numeşte condensare.În acest proces vaporii saturaţi cedează căldura lor de vaporizare unui agent de răcire

(apă sau aer rece). Captarea şi condensarea vaporilor ce se degajă dintr-o instalaţie de evaporare se face în următoarele scopuri:

1) Recuperarea în stare lichidă a substanţelor ce prezintă interes, care au trecut în stare de vapori în operaţia anterioară (de ex: captarea aromelor ce se degajă în timpul operaţiei de concentrare sau uscare).

2) Realizarea unei depresiuni în instalaţia de evaporare pentru ca acestea să se efectueze la o temperatură mai scăzută. Depresiunea se produce datorită trecerii de la volumul mare al vaporilor saturaţi la volumul redus al lichidului condensat (de ex: la 100oC densitatea vaporilor saturaţi de apă este 0,597 kg/m3 iar a apei 958 kg/m3, de unde rezultă că la temperatura de 100oC volumul specific al vaporilor saturaţi de apă este de 1,66 m3/kg iar cel al apei de 0,00104 m3/kg, adică de 1666 ori mai mare). Deoarece odată cu vaporii din instalaţie sunt antrenate şi gazele necondensabile acestea sunt evacuate cu ajutorul pompelor de vid sau al ejectoarelor.

3) Recuperarea cantităţii de căldură pe care o cedează vaporii pentru preîncălzirea unui fluid ce urmează a intra în procesul tehnologic.

4) Evitarea degajărilor de vapori în spaţiul încăperilor de lucru, ceea ce ar conduce la un microclimat nesănătos (cald şi umed) la umezirea materialelor, la ruginirea utilajelor, la condensări pe tavane şi pereţi care ar duce la degradarea lor.

42

Factorii care influenţează procesul de condensare:- caracteristicile fizico- chimice ale materialului atât în stare de vapori cât şi în stare

lichidă (densitate, temperatură, căldură specifică);- caracteristicile fizico- chimice ale agentului de răcire;- vitezele vaporilor şi ale agentului de răcire;- conţinutul de gaze necondensabile;- intensitatea schimbului de căldură.

Metode de condensare:Condensarea poate fi realizată cu schimb direct şi indirect.1) Condensarea cu schimb direct de căldură . Operaţia de condensare se realizează

prin barbotarea vaporilor în apă rece utilizată ca agent de răcire. Această metodă este utilizată atunci când recuperarea vaporilor se face sub formă de apă caldă (amestec de condens şi apă de răcire).

2) Condensarea cu schimb indirect de căldură . Căldura de condensare a vaporilor este cedată apei de răcire prin intermediul unei suprafeţe de schimb de căldură (ex: recuperarea vaporilor solventului utilizat la extracţia uleiului, recuperarea vaporilor de alcool etilic în instalaţia de distilare).

Tipuri de condensatoare:Condensatoarele se clasifică după următoarele criterii:I. După modul de realizare a schimbului termic:

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

II. După modul de evacuare a condensului rezultat:- barometrice, la care evacuarea se realizează printr-o coloană barometrică;- semibarometrice – condensatoare cu pompă de evacuare.

III. După modul de evacuare a gazelor necondensabile:- cu evacuare comună a condensului şi a gazelor;- cu evacuare separată a gazelor cu ajutorul unei pompe de vid sau ejector.

CONDENSATOARE DE AMESTECÎn aceste condensatoare vaporii rezultaţi la evaporarea soluţiilor sunt amestecaţi cu

apa de răcire în care se condensează. În condensatoarele de amestec presiunea este inferioară presiunii atmosferice, dar este egală cu presiunea din corpul de evaporare de unde se aduc vaporii secundari. Pentru menţinerea presiunii constante în condensator, acesta se montează la o înălţime de aproximativ 10 m, evacuarea condensatului şi a apei folosită la răcire realizându-se printr-o conductă numită coloană barometrică. Închiderea etanşă a condensatorului faţă de atmosferă se realizează prin apa din coloana barometrică; în acest scop coloana este introdusă cu capătul inferior pe o lungime de 0,5 m într-un bazin de apă în care se colectează apa ce se scurge din condensator. În acest bazin este obligatorie menţinerea unui nivel constant de lichid cu ajutorul preaplinului, astfel încât să nu se producă ieşirea coloanei barometrice din apă şi din admisia aerului în condensator.

43

Condensatoarele de amestec pot funcţiona cu eliminarea condensatului împreună cu apa de răcire prin coloana barometrică (fig. a-e) sau prin coloana de înălţime mică, cu ajutorul unei pompe (fig. f).

Condensatorul barometric cu talere şi şicane (fig. a) este format din corpul cilindric 1, terminat printr-un trunchi de con la care se sudează conducta barometrică 2. În interiorul corpului cilindric se montează talerele inelare 3 şi alternând cu acestea şicanele 4 sub formă de discuri. Deasupra şicanei superioare se montează un grătar 5 din tablă perforată pentru distribuirea uniformă a apei de răcire. Vaporii secundari produşi în evaporator sunt alimentaţi prin racordul 6, datorită uşoarei depresiuni realizate în condensator de către pompa de vid care elimină în permanenţă gazele necondensabile prin racordul 7. Apa de răcire alimentată cu ajutorul unei pompe prin racordul 8, este distribuită pe talerul perforat, apoi curge în flux descendent de pe şicane pe talere, realizând astfel condensarea vaporilor cu care se întâlneşte în contracurent. Apa şi condensul obţinut se scurg în coloana barometrică şi apoi în rezervorul de acumulare 9 prevăzut cu preaplinul 10 care elimină în permanenţă până la nivel constant.

Preaplinul de evacuare a apei din rezervor şi coloana barometrică trebuie astfel alese, încât secţiunea de trecere apei să asigure scurgerea acesteia, menţinând coloana plină cu apă până aproape de capătul superior. Depăşirea nivelului apei peste capătul superior ar putea conduce la fenomenul de inundare a condensatorului. În acest caz se poate închide racordul 6, iar admisia aburului secundar este oprită, ceea ce conduce la creşterea presiunii în corpul de evaporare.

Condensatorul cu talere perforate (fig. b) are construcţie asemănătoare cu a condensatorului cu şicane, cu deosebirea că în interior se montează alternând numai talerele perforate 3 de forma unor sectoare de cerc. Pe poţiunea liberă, talerul are o bordură (prag), a cărui înălţime asigură menţinerea unui strat de apă necesar barbotării şi condensării aburului. Surplusul de apă de pe taler curge, o parte prin orificii, iar altă parte deversează peste bordură, ajungând pe talerele inferioare şi de aici se scurge pe conicitatea condensatorului în coloana barometrică.

5

1

9

10

2

87

6

4

3

1- corp condensator2- conductă barometrică3- talere inelare4- şicane5- grătar6- racord vapori7- racord gaze necondensabile8- racord apă răcire9- rezervor acumulare10- preaplin

a)

Vapori+gazeCondensatGaze necondensabileFluid de răcire

44

Condensatorul cu injectoare (fig. c) se utilizează în operaţiile în care cantitatea de vapori secundari este redusă, însă debitul de gaze necondensabile este mare. Se impune în acest caz evacuarea totală a acestor gaze care în situaţia menţinerii lor în evaporator ar duce la creşterea presiunii, deci şi a temperaturii de evaporare. În acest caz pe corpul cilindric 1 al condensatorului se montează un ejector- injector astfel încât să aspire vaporii prin racordul 11. În injector se aduce fluid motor prin racordul 12. Prin mărirea energiei vaporilor secundari, aceştia sunt alimentaţi sub talerul inferior în condensator unde, întâlnind apa rece ce circulă în contracurent, sunt condensaţi. Injectorul poate fi montat şi în interiorul condensatorului (fig. d).

Condensatorul cu jet (fig. e). La acest tip de condensator prin coloana barometrică se evacuează în amestec apa provenită din condensarea vaporilor şi cea folosită la răcire precul şi gazele necondensabile. În interiorul condensatorului se montează un perete

1

9

10

2

87

6

b)7

9

10

2

8

6

c)

11

12

1

8d)

10

2

1

9

10

87

11 12 14

13

1

9

86

8

e)

15

16

1

13

3

7

45

f)

cilindric 13 sudat la partea superioară de capac, liber la partea inferioară. Conductele de apă pătrund în interiorul corpului cilindric. La conducta superioară se montează un dispozitiv de pulverizare a apei 14, iar pe conducta inferioară se află mai multe orificii pentru împrăştierea uniformă a apei de răcire. Vaporii (împreună cu gazele necondensabile provenite din evaporator) sunt alimentaţi prin racordurile 6 în partea inelară a condensatorului, ocolesc în curent descendent peretele cilindric, apoi se ridică prin ploaia de apă, unde vaporii de apă sunt total condensaţi. Gazele necondensabile sunt antrenate de ploaia creată şi evacuate odată cu acestea prin conducta barometrică.

Condensatorul de nivel inferior (fig, f) funcţionează cu pompă pentru evacuarea condensatului prin racurdul 8 şi placa cu duze 16. Gazele necondensabile sunt evacuate prin racordul 7, după ce mai întâi au fost separate de eventualele picături de apă, prin şicanarea circulaţiei, cu ajutorul peretelui despărţitor 13.

CONDENSATOARE DE SUPRAFAŢĂSunt identice din punct de vedere constructiv cu schimbătoarele de căldură cu schimb

de căldură indirect (prin intermediul unei suprafeţe de schimb de căldură, pe care vaporii condensează fie sub formă de peliculă, fie sub formă de picături). Pot fi de mai multe tipuri:

1. Condensatoare multitubulare verticale (fig. g) care se construiesc în cele mai multe cazuri cu o singură trecere, apa circulând prin ţevile 1 de jos în sus, iar vaporii prin spaţiul 2 dintre ţevi, de sus în jos, pentru a permite evacuarea imediată a condensatului. Gazele necondensabile sunt evacuate continuu pe la partea superioară 3 a spaţiului dintre ţevi. Astfel de condensatoare se folosesc la condensarea vaporilor de spirt în instalaţiile de distilare.

fig. g fig. h

2. Condensatoare multitubulare orizontale (fig. h) sunt folosite la condensarea vaporilor substanţelor volatile mai grele pentru a le separa de substanţele volatile mai uşoare ale căror vapori trecând mai departe sunt condensaţi separat. La instalaţia de distilare a spirtului, ele sunt numite deflegmatoare şi sunt amplasate lângă coloana de distilare, deasupra ei, astfel încât substanţele care se condensează să fie readuse în coloană la anumite nivele sub formă de reflux. Deflegmatoarele pot avea două circuite de fluide de răcire,

46

respectiv unul pentru plămada I care în acest fel este preîncălzită înainte de a fi introdusă în coloana de distilare iar al doilea pentru apă rece II, care serveşte la reglarea temperaturilor.

3. Condensatoare serpentină formate din ţevi cu aripioare (fig. i) servesc la condensarea vaporilor lichidelor frigorifice şi sunt construite sub formă de pânze. Răcirea se face cu aer. Pentru ca în timp coeficientul de transmitere a căldurii să se menţină la o valoare constantă, este necesar a se asigura o circulaţie intensă de aer rece, iar pe de altă parte suprafaţa de schimb de căldură să fie ferită de depuneri de impurităţi.

4. Condensatorul ţeavă în ţeavă (fig. j) este folosit în cazuri mai rare la preîncălzirea apei. Apa rece circulă prin tuburile interioare 1 iar vaporii prin tuburile exterioare 2.fig. i fig. j

5. Condensatorul mixt (fig. k) este construit dintr-o parte multitubulară 1 montată deasupra compartimentului de condensare de ţevi serpentină 2. Spaţiul dintre ţevi comunică cu mantatua cilindrică inferioară 3. Vaporii care pot conţine gaze necondensabile se alementează prin racordul 4, străbat spaţiul intertubular şi se condensează, apoi condensul intră în serpentină, pentru a se răci. Condensul este eliminat prin racordul 5. Lichidul de răcire este pompat prin racordul 6, străbate în flux ascendent serpentina, şi apoi intră uşor încălzit ăn spaţiul din ţevi unde primeşte căldura de condensare de la vapori. Lichidul cald se evacuează pe la partea superioară prin racordul 7. Gazele necondensabile (sau vaporii mai uşor volatili) se evacuează prin racordul 8 aflat pe mantaua părţii multitubulare.fig. k

47

NECESAR APĂ DE RĂCIRE [J]

Q1 = căldura adusă de vaporii secundari, [J]Q2 = căldura adusă de apa de răcire, [J]Q3 = căldura scoasă cu condensul, [J]Q4 = căldura scoasă cu apa de răcire, [J]

a) Condensatorul barometrictemperatura condensului= temperatura evacuare apă

b) Condensatorul de suprafaţătcondens=tvaporilor

, [J]

DIMENSIUNEA COLOANEI BAROMETRICE

USCAREA

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

- prin fierbere : este asemănătoare evaporării şi ea se realizează la temperatura de fierbere a solventului. Se foloseşte atunci când urmăreşte şi recuperarea solventului.

- prin antrenare : foloseşte ca agent termic un gaz cald care aduce în proces căldura necesară şi în acelaşi timp scoate din instalaţie vaporii de solvent (apă). Se foloseşte atunci când vaporii nu se recuperează.

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

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

finală, presiunea, gradul de puritate, conţinutul de vapori.

48

3. Factori referitori la instalaţia de uscare: instalaţii continue sau discontinue, instalaţii care se deosebesc după modul după care se realizează uscarea, după tipul de proces, după modul în care se introduce şi se îndepărtează din instalaţie.

Tipuri de apă din produs: apa legată chimic (chemosorbită) este apa legată prin legături covalente. La realizarea

acestei legături se degajă căldură, iar îndepărtarea acestui tip de apă din produs se realizează mai greu, temperatura minimă necesară îndepărtării apei este de 115oC.

apa adsorbită – această apă este legată prin legături Van der Walls şi acest tip de apă se îndepărtează cu efect termic mai mare deoarece la realizarea legăturilor se degajă căldură.

apa legată osmotic la care efectul de legare este 0, este cea care se îndepărtează cel mai uşor (din capilare).

apa legată mecanic este egală cu diferenţa dintre apa totală din produs şi celelalte tipuri de apă legate în produs. În cazul unor materiale granulare structurile poroase din granule permit legarea de apă. Acest tip de apă se îndepătează uşor.Parametrii aerului:

Umiditatea:- absolută: este greutatea vaporilor dintr-un m3 de gaz umed- relativă (gradul de saturaţie al aerului): reprezintă greutatea vaporilor dintr-un m3 de

gaz umed raportată la greutatea maximă posibilă la temperatură şi presiune totală.

Pvap= presiunea de vapori a lichidului din gazpsat= presiunea vaporilor saturanţi la temperatura dată

Densitatea aerului la p=760 torr şi t=273 K

Masa molară:

Conţinutul de umiditate (x)

mv= masa de vaporima= masa de aerAplicând legile gazelor perfecte:

49

Aer umed saturat: pv=ps

Entalpia gazului umed:

i= entalpia vaporilor de apăx= conţinutul de umiditatec= căldura specifică a gazuluit= temperatura gazului

Punctul de rouă este temperatura la care gazul cu un conţinut constant de umiditate şi la o stare dată devine saturat prin răcire.

Temperatura termometrului umed este temperatura la care gazul răcindu-se la entalpie constantă devine saturat.

Diagrama I - x de stare a aerului umed leagă toţi parametrii: conţinutul de umiditate x, entalpia specifică I, temperatura.

BILANŢUL DE MATERIALEGi, Gf= debitul de masă al produsului iniţial, respectiv final We= debitul de masă de apă eliminată ui, uf = umiditatea produsului iniţial, respectiv final, %

Necesarul de aer pentru uscare:L= debitul masic de aer necesar antrenării umidităţii, [kg/s]xi, xf= umezeala aerului la intrare, respectiv ieşirea din instalaţie, [kg/kg aer uscat]

Bilanţ total:

Bilanţ caloric:- căldura adusă de materialul uscat:cf= căldura specifică a materialului supus uscării- căldura adusă de umiditatea de eliminat:

ca= căldura specifică a apei ti= temperatura iniţială

- căldura adusă de construcţia uscătorului: tim= temperatura iniţială a materialelor

- căldura adusă de aerul necesar uscării: (entalpia aerului iniţial din atmosferă)

50

- căldura dată aerului în caloriferul exterior: Qe

- căldura cu un calorifer în interiorul uscătorului: Qi

- căldura ieşită cu materialul uscat: - căldura ieşită cu elementele care aduc şi deplasează produsul în uscător: - căldura evacuată cu aerul din uscător: - pierderile de căldură: Qp

51