cursul 1 ou

Transfer termicTransfer termic

notiuni recapitulativenotiuni recapitulative

Marime fundamentalaMarime fundamentala: temperatura

Forta motoare a proceselorForta motoare a proceselor: diferenta de temperatura: diferenta de temperatura

Transfer de calduraTransfer de caldura: : transfer de energie datorat diferentei de temperatura.

Directia transferului de calduraDirectia transferului de caldura:: de la temperatura mare la temperatura mica.

Cantitatea de calduraCantitatea de caldura:: Q = mh, J

Debitul de calduraDebitul de caldura sau termic: sau termic: Q’ = Gmh, W

h – entalpie, J/kg.

Notiuni fundamentaleNotiuni fundamentale

Conventie:Conventie:

Daca temperatura sistemuluiDaca temperatura sistemului creste Tcreste Tf f >T>Tii::

– Q si T sunt pozitivepozitive.

– Caldura transferata intraintra in sistemin sistem.

Daca temperatura sistemului scade TDaca temperatura sistemului scade Tf f >T>Tii::

– Q si T sunt negative.negative.

– Caldura transferata iese din sistemiese din sistem.

if TTmcQ

Q cantitate de caldura/ debit termic transferatQ cantitate de caldura/ debit termic transferat

Principiul echilibrului termicPrincipiul echilibrului termic

Caldura cedata de corpul cald este primita de corpul rece.

Daca incintele sunt izolate, la echilibru termicla echilibru termic, corpurile si apa vor avea aceeasi temperaturaaceeasi temperatura.

bile bile caldecalde

apa receechilibru termicechilibru termic

QQcedced = = Q Qprimita primita QQcedced = = Q Qprimita primita

Schimbari de faza:

• solid lichid• lichid vapori

Transformarea de faza : caldura latentaTransformarea de faza : caldura latenta

solidsolid lichidlichidGas

Q = mLQ = mLff Q = mLQ = mLvv

topiretopire

evaporareevaporare

Caldura latenta de topire (LCaldura latenta de topire (Lff) - ) - trecerea din faza solida in faza lichida se face la temperatura de topirese face la temperatura de topire care ramane constanta pe durata procesuluiramane constanta pe durata procesului.

Caldura latenta de vaporizareCaldura latenta de vaporizare (L (Lvv) - ) - trecerea din faza lichida in faza de vapori se face la temperatura de se face la temperatura de fierberefierbere care ramane constanta pe durata procesului.ramane constanta pe durata procesului.

UMSI : Jkg-1; f f

QL Q mL

m ; f f

QL Q mL

m

; v v

QL Q mL

m ; v v

QL Q mL

m UMSI : Jkg-1

T, T, ooC C

QQ

gheatagheata

apa + gheataapa + gheata

apa apa

apa + vaporiapa + vapori

vaporivapori100

0

- 40

Dependenta temperaturii apei de cantitatea de caldura la p = 1 bar

cTh rhh

Tchh p

")1(" xhhxh fcTh

MecanismMecanismul transmiterii caldurii prin ul transmiterii caldurii prin conducticonductiee

In gaIn gaze si lichideze si lichide:: energia se transmite prin ciocnirile ciocnirile dintre moleculele in miscare brownianadintre moleculele in miscare browniana.

In solidIn solidee:: energia se transmite prin vibrativibratiile atomilor si ile atomilor si moleculeculelormoleculeculelor in reteain retea si prin deplasarea electronilor deplasarea electronilor liberiliberi.

ConductieConductie

ConductieConductie

Debitul termic transferat, Debitul termic transferat, QQ

A – aria,

x - grosimea,

- conductivitate termica material,

T - diferenta de temperatura.

Debitul termicDebitul termic transmis este proportional cu: T, A, T, A, si invers proportional cu x.x.

x

TA

x

TTAQ

21

Conductivitate Conductivitate termicatermica

Dependenta conductivitatii termice a materialelor de temperatura

Materiale care reduc reduc pierderile de caldurapierderile de caldura

Materiale care favorizeaza favorizeaza transmiterea calduriitransmiterea caldurii

ConvectieConvectie

Caldura este transferata prin conductie de la corp la suprafata calda si preluata de fluid si transportata prin convectie.

Convectie liberaConvectie libera

Convectia fortataConvectia fortata – circulatia fluidului este determinata energia mecanica introdusa in sistemenergia mecanica introdusa in sistem.

Convectia naturalaConvectia naturala – circulatia fluidului este determinata de diferenta de densitatediferenta de densitate a fluiduluia fluidului din zona calda si zona calda si zona recezona rece.

In In procesele industrialeprocesele industriale se utilizeaza se utilizeaza convectia fortataconvectia fortata

Debitul termic transferat prin convectieDebitul termic transferat prin convectie

)( TTAQ S

T

T

A

S

coeficientul de transfer. W/m2.0 K

suprafata de transfer

temperatura suprafetei solide

temperatura fluidului la distanta mare de suprafata de contact

Nu f (Re,Pr,L /D,b /o)

vd

pc

d

cbaNu PrRe

Pentru transfer termic prin convectie fortata:

Observatii: Observatii:

creste daca creste viteza fluidului.

depinde de proprietatile fizice ale fluidului.

Mecanism , W/m, W/m22KK

aer convectie libera 5 - 50

aer convectie fortata 25 - 250

apa convectie fortata 250 - 1500

fierberera apei 2500 – 10.000

condensare vapori 5000 – 25.000

Valori ale coeficientului de transfer termicValori ale coeficientului de transfer termic

Observatii:Observatii:

1.1. Se preferaSe prefera transmiterea caldurii prin convectie fortata.convectie fortata.2.2. Se preferaSe prefera ca agent de incalzire aburulincalzire aburul (vapori de apa).

Tcald

Trece

Debitul termic transferat prin convectie si Debitul termic transferat prin convectie si conductieconductie

recefluidcaldfluid

K

111

)( rececald TTKAQ

K – coeficient total de transfer termic. W/m2K

RadiatieRadiatie

Energia emisaEnergia emisa de materie sub forma de unde electromagneticeunde electromagnetice sau fotoni depinde de temperatura corpuluitemperatura corpului.

Radiatia devine Radiatia devine

semnificativa la T > 400 semnificativa la T > 400 00CC

Legea lui Legea lui SStefantefan-B-Boltzmanoltzman Caldura maxima emisa de o suprafata prin radiatie este:

constanta Stefan-Boltzman, = 5.67×10-8 W/m2.K4

Corpul negruCorpul negru:: corp ideal care transmite caldura cu debit maximSuprafetele reale emit mai putina caldura

0 <0 < < 1 pentru corpuri reale

= 1 pentru corpul negru absolut coeficient de emisiecoeficient de emisie

4max SSemisa TAQ

4SSemisareal TAQ

)( 42

41 TTAQ rad

)( 21 TTAQ convconv

)( 21 TTAQ convradtotal

Se aplica principiul superpozitiei fenomenelor:Se aplica principiul superpozitiei fenomenelor:

21

42

41

TT

TTrad

Transfer termic prin radiatie si convectieTransfer termic prin radiatie si convectie

Radiatie:Radiatie:

Convectie:Convectie:

Transfer termic prin radiatie in gazeTransfer termic prin radiatie in gaze

Gazele cu molecule asimetriceGazele cu molecule asimetrice: CO, NO, CO2, SO2, H2O si diferite hidrocarburi sau compusi ai acestora absorbabsorb sau emit caldura prin radiatieemit caldura prin radiatie.

Observatie:Observatie:In gaze, caldura este transmisa prin radiatiecaldura este transmisa prin radiatie numai de compusii cu molecule asimetrice.compusii cu molecule asimetrice.

Observatie:Observatie:

La T > 400La T > 40000CC radrad >> >> condcond condcond

La T > 800La T > 80000C C radrad >> >> convconv convconv

Caldura este transmisa directdirect sau indirect.indirect.

Incalzirea indirectaIncalzirea indirecta:: caldura se transmite de la purtatorul de caldura sau de la gazele de ardere la consumator printr-o printr-o suprafata.suprafata.

Incalzirea directa:Incalzirea directa: caldura se transmite prin amestecarea amestecarea consumatorului cu purtatorul de caldura sau cu gazele de ardere.

Incalzirea in procesele industrialeIncalzirea in procesele industriale

Incalzirea in procesele industrialeIncalzirea in procesele industriale se face cu: se face cu:

• purtatori de caldura,purtatori de caldura,

• combustibili fosili.combustibili fosili.

Purtatorii de caldura preiau caldura de la o sursa calda si o Purtatorii de caldura preiau caldura de la o sursa calda si o transporta la utilajtransporta la utilaj.

Cel mai utilizatCel mai utilizat purtator de caldura este purtator de caldura este aburul.aburul.

Combustibilii fosiliCombustibilii fosili sunt: carbunii, pacura si metanul. Prin combustia lor rezulta gazele de ardere care cedeaza caldura in gazele de ardere care cedeaza caldura in utilajutilaj.


Incalzirea cu gaze si vaporiIncalzirea cu gaze si vapori

- incalzirea cu gazeincalzirea cu gaze - cedeaza caldura sensibilacaldura sensibila;- incalzirea cu vaporiincalzirea cu vapori - cedeaza caldura latentacaldura latenta

Incalzirea cu gaze de ardereIncalzirea cu gaze de ardere avantajeavantaje: temperatura mare dezavantaje:dezavantaje: conductivitate termica, caldura specifica si coeficienti de transfer termic mici, supraincalziri locale, randament scazut

Randamentului termicRandamentului termic creste daca: • arderea se face sub presiune cu aer imbogatit in oxigen, • gazele circula cu turbulenta mararita in utilaj.

Incalzirea cu vaporiIncalzirea cu vapori

Cel mai utilizat sistem de incalzire industrialCel mai utilizat sistem de incalzire industrial.

Avantaje:Avantaje: caldura latenta mare, coeficienti de transfer termic mari, temperatura constanta a purtatorului de caldura, fara supraincalziri locale, accesibil, nu este toxic sau inflamabil, este ieftin.

Cel mai utilizat Cel mai utilizat agent termic la T < 200°CT < 200°C este aburul. aburul.

Procedee de incalzire cu abur:Procedee de incalzire cu abur:

- incalzire directaincalzire directa daca se accepta diluarea sistemului,- incalzire indirectaincalzire indirecta prin intermediul unei suprafete.


In procesele industriale sunt importante:In procesele industriale sunt importante:

• temperatura de operaretemperatura de operare,,

• gradientul de temperaturagradientul de temperatura::

• debitul termic/cantitatea de calduradebitul termic/cantitatea de caldura introdusa sau introdusa sau evacuata din sistem.evacuata din sistem.

z

T

y

T

x

TT

,, ,

Temperatura de operareTemperatura de operare

T < 80°CT < 80°C - - apa calda – condens,

T < 200°C< 200°C - lichide calde, abur, gaze de ardere,

200°C < T < 400°C200°C < T < 400°C - vapori organicivapori organici; cel mai utilizat: difenil - difenil eter,

T < 300°CT < 300°C - uleiuri minerale,

T < 500°CT < 500°C - topituri de saruri – amestec de NaNO3 si NaNO2,

T < 650°CT < 650°C - - topituri de metale - Pb, Sn,

T < 2000°CT < 2000°C – combustie gaz metan,

T < 3000°CT < 3000°C – – incalzire electrica.

Racirea in procesele industrialeRacirea in procesele industriale

T = 15T = 15ooCC - apa de racire - apa de racire

T = 5T = 5ooCC - apa racita - apa racita

TTinghetinghet < -18 < -18ooCC - saramuri: sol. 20% CaCl - saramuri: sol. 20% CaCl22, sol. 20% NaCl, sol. 20% NaCl

TTinghetinghet < -22 < -22ooCC - solutii alcool- apa - solutii alcool- apa

TTinghetinghet < -70 < -70ooCC - zapada carbonica - zapada carbonica

Operatii de transfer termicOperatii de transfer termic

OperatiiOperatii

Incalzire - racireIncalzire - racire

CondensareCondensare

Fierbere / evaporareFierbere / evaporare

Utilaje de transfer termicUtilaje de transfer termic

• Schimbatoare de caldura Schimbatoare de caldura

• CondensatoareCondensatoare

• EvaporatoareEvaporatoare

Trasferul termic este unul din cele mai utilizate Trasferul termic este unul din cele mai utilizate procese in procesele industriale.procese in procesele industriale.

Schimbatoare de calduraSchimbatoare de caldura

ClasificareClasificare

– schimbatoare schimbatoare teava in teava,teava in teava,– schimbatoare schimbatoare multitubulare,multitubulare,– schimbatoare schimbatoare cu aripioarecu aripioare,,– schimbatoare schimbatoare cu placi,cu placi,– schimbatoare schimbatoare spirale.spirale.

Utilajul care Utilajul care transfera indirect calduratransfera indirect caldura intre doua fluide intre doua fluide se numeste se numeste schimbator de calduraschimbator de caldura..

Schimbatoare de calduraSchimbatoare de caldura

• IncalzitoareIncalzitoare – schimba caldura sensibilacaldura sensibila

• RacitoareRacitoare – schimba caldura sensibilacaldura sensibila

• Condensatoare Condensatoare – schimba caldura latentacaldura latenta din V in L

• EvaporatoareEvaporatoare – schimba caldura latentacaldura latenta din L in V

Utilizari in procesele chimiceUtilizari in procesele chimice

• Reactoare chimice – vase cu manta si elemente Reactoare chimice – vase cu manta si elemente de schimb termic internede schimb termic interne

• PreincalzitoarePreincalzitoare• Fierbatoarele coloanelor de distilareFierbatoarele coloanelor de distilare• Condensatoarele coloanelor de distilareCondensatoarele coloanelor de distilare• Incalzitoarele si racitoarele de aerIncalzitoarele si racitoarele de aer• EvaporatoareEvaporatoare• CristalizoareCristalizoare• Vase de dizolvareVase de dizolvare• Incalzire, racire fluideIncalzire, racire fluide

• Fluidul receFluidul rece circula in spatiul dintre tuburispatiul dintre tuburi.• Aria de transfer variaza intre 10 – 20 m2

Schimbator de caldura teava in teavaSchimbator de caldura teava in teava

Curgerea in contracurent:Curgerea in contracurent:

asigura o solicitare termica uniformasolicitare termica uniforma a utilajului,

recupereaza o cantitate mai marerecupereaza o cantitate mai mare de caldura.

Curgere in echicurentCurgere in echicurent Curgere in contracurentCurgere in contracurent

Schimbator de caldura teava in teavaSchimbator de caldura teava in teava

Schimbator de caldura teava in Schimbator de caldura teava in teavateava

DezavantajeDezavantajePierderi de caldura relativ mariNu sunt compacte, Suprafata de transfer mica

AvantajeAvantajeConstructie simpla si flexibilaSe utilizeaza si pentru gaze si pentru lichide

Schimbator de caldura multitubularSchimbator de caldura multitubular

Acet tip de schimbatoare:

– opereaza cu o gama diversa de fluideopereaza cu o gama diversa de fluide,– opereaza la temperaturi si presiuni diverseopereaza la temperaturi si presiuni diverse,– sunt construite din materiale diverse,– sunt executate de multe uzine constructoareexecutate de multe uzine constructoare,– sunt intretinute si reparate relativ usor,– sunt proiectate cu metode verificateproiectate cu metode verificate.

85% din schimbatoarele de caldura85% din schimbatoarele de caldura care opereaza in industrie sunt multitubulare.multitubulare.

Suprafata de transfer:Suprafata de transfer: 10 - 1000 m2


Presiunea Presiunea maxima de operare:– manta 300 bar,– tevi 1400 bar.

TemperaturaTemperatura– maxima 600 - 650oC– minima -100oC


351

44

23

1.1. Manta, 2. Fascicol de tevi, 3. Placa tubulara, 4. Capac, 5. SicaneManta, 2. Fascicol de tevi, 3. Placa tubulara, 4. Capac, 5. Sicane

Schimbator de caldura compact care opereaza in conditii diverse.

Sectiune Sectiune transversalatransversala

cald

recerece

Transferul termic intr-un schimbator de caldura multitubular


Schimbator de caldura Schimbator de caldura cucu mai multe treceri:mai multe treceri:

• mareste mareste viteza fluiduluiviteza fluidului din tevi, din tevi, • reduce reduce gradul de murdariregradul de murdarire al suprafetei de transfer al suprafetei de transfer• mareste mareste coeficientul de transfer termic.coeficientul de transfer termic.

Se construiesc schimbatoare cu 2, 4 sau 6 treceri.Se construiesc schimbatoare cu 2, 4 sau 6 treceri.

Intensificarea transferului termic in teviIntensificarea transferului termic in tevi


Schimbator de caldura cu doua treceriSchimbator de caldura cu doua treceri

perete perete despartitordespartitor


Schimbator de caldura cu doua treceri (a) si 4 treceri (b).Schimbator de caldura cu doua treceri (a) si 4 treceri (b).

aa bb


Pereti despartitoriPereti despartitori in capacul schimbatorului de caldura cu 4 treceri.

• In tevi se introduc In tevi se introduc spirale din benzi si sarme,spirale din benzi si sarme,

• Creste turbulenta si coeficientul de transfer termicCreste turbulenta si coeficientul de transfer termic ..

Banda rasucitaBanda rasucita


Umpluturi din sarmaUmpluturi din sarma

Schimbator cu tevi rasuciteSchimbator cu tevi rasucite

In tevile rasucite In tevile rasucite creste turbulenta fluidului in curgerecreste turbulenta fluidului in curgere..

Schimbator cu tevi rasuciteSchimbator cu tevi rasucite

Intensificarea transferului termic in spatiul Intensificarea transferului termic in spatiul extratutubularextratutubular

Nervurile Nervurile din exteriorul tevilor amplifica turbulenta fluiduluiamplifica turbulenta fluidului in curgere in curgere..

Sicanele:Sicanele:

maresc turbulenta fluidului in curgere in spatiul extratubular,maresc turbulenta fluidului in curgere in spatiul extratubular, ranforseaza fascicolulranforseaza fascicolul de tevi si previn vibratiile, de tevi si previn vibratiile, reduc gradul de incrustarereduc gradul de incrustare in exteriorul tevilor. in exteriorul tevilor.

Clasificare:Clasificare:

sicane sicane transversale,transversale, sicane sicane longitudinale.longitudinale.

manta

tevi

sicana

Intensificarea transferului termic in Intensificarea transferului termic in spatiul extratutubularspatiul extratutubular

Sicane segment de discSicane segment de disc

Tipuri de sicane transversaleTipuri de sicane transversale

Iesire Iesire

fluid 2fluid 2Intrare Intrare fluid 2fluid 2

Iesire Iesire fluid 1fluid 1 MantaManta

FascicolFascicol tevitevi

Intrare Intrare fluid 1fluid 1

Curgerea fluidelor intr-un schimbatorCurgerea fluidelor intr-un schimbator de caldura de caldura multitubular cu doua treceri cu sicane segment de discmultitubular cu doua treceri cu sicane segment de disc


Sicane segment de discSicane segment de disc


Varianta sicana segment de disc.Varianta sicana segment de disc.


Tipuri de sicane transersaleTipuri de sicane transersale

Varianta Varianta de sicane de sicane formate din segmente formate din segmente de discde disc


Sicane tip discSicane tip disc

Sicane cu discuri si rondeleSicane cu discuri si rondele


Sicane RODSicane ROD


Sicane elicoidaleSicane elicoidale


Sicana longitudinalaSicana longitudinala

Sicana longitudinalaSicana longitudinala

Variante de amplasare ale sicanelor longitudinale.Variante de amplasare ale sicanelor longitudinale.

Metode de compensare a dilatarii tevilorMetode de compensare a dilatarii tevilor

Schimbator de caldura cu Schimbator de caldura cu cap flotantcap flotant cu patru treceri. cu patru treceri.

1122 33

1. xap flotant, 2. sicana longitudinala, 3. sicana transversala.


Schimbator de caldura Schimbator de caldura cu tevi in forma de Ucu tevi in forma de U


Fascicol de tevi in forma de UFascicol de tevi in forma de U

Schimbatoare de caldura in serieSchimbatoare de caldura in serie


Metode de compensare a dilatarii in mantaMetode de compensare a dilatarii in manta

Modele de Modele de compensatoare de compensatoare de dilataredilatare montate in peretele montate in peretele

mantaleimantalei

Compensator de dilatareCompensator de dilatare

• triunghi echilateraltriunghi echilateral: cel mai denscel mai dens aranjament• patrat: aranjamentul care patrat: aranjamentul care faciliteaza curatireafaciliteaza curatirea tevilor tevilor

pas

triunghi 30o triunghi rotit 60o patrat 90o patrat rotit 45o

Dispunerea tevilor in placa tubularaDispunerea tevilor in placa tubulara


11 11 11

22 2222

3333

33

1. manta, 2. aranja,emt tevi, 3. teava1. manta, 2. aranja,emt tevi, 3. teava

Dispunerea tevilor in triunghi echilateral (a), respectiv in patrat (b).Dispunerea tevilor in triunghi echilateral (a), respectiv in patrat (b).

a.a. b.b.


Patrat Triunghi

Avantaje Usor de curatat Curgere turbulenta, asezare compacta

Dezavantaje La acelasi diametru al mantalei Re <

Curatire exterioara a tevilor mai dificila, pierderi de presiune mai mari


Fixarea tevilor in placa tublaraFixarea tevilor in placa tublara

Grosimea placii tubulare este comparabila cu diametrul tevilorGrosimea placii tubulare este comparabila cu diametrul tevilor

Incrustarea tevilor unui schimbator de calduraIncrustarea tevilor unui schimbator de caldura

Tipuri de capaceTipuri de capace

Capac demontabilCapac demontabil pentru fluide murdarepentru fluide murdare

Capac nedemontabilCapac nedemontabil pentru fluide curatepentru fluide curate

Standarde schimbatoareStandarde schimbatoare

Proiectarea si constructia schimbatoarelor de caldura este reglementata:

• in UE de standardul TEMAstandardul TEMA editia 8, 1998,

• in Romania STAS pentru dimensiunile schimbatoarelor de caldura multitubulare

SchimbatoareleSchimbatoarele TEMA se denumesc prin 3 litere

Prima litera A doua litera A treia litera

Clasificarea TEMAClasificarea TEMA

Schimbator AESAE

S

Schimbatoarele TEMASchimbatoarele TEMA se denumesc prin 3 litere

Schimbatoare de caldura montate in Schimbatoare de caldura montate in serie si in paralelserie si in paralel

Schimbatoare in serieSchimbatoare in serie Schimbatoare in paralelSchimbatoare in paralel

Schimbatoare de caldura montate in Schimbatoare de caldura montate in serie si in paralelserie si in paralel

In paralel:In paralel:

la aceeasi diferenta de aceeasi diferenta de

temperaturatemperatura se incalzeste /

raceste un debit mai mare de un debit mai mare de

fluidfluid.

n

1iiTT constG

n

1iiGG constT

In serieIn serie: :

acelasi debitacelasi debit se incalzeste / se incalzeste / raceste la o raceste la o diferenta de diferenta de temperatura mai maretemperatura mai mare::

Amplasarea schimbatoarelor de calduraAmplasarea schimbatoarelor de caldura

Suporti orizontaliSuporti orizontali

Suport verticalSuport vertical

Amplasare orizontalaAmplasare orizontala

Amplasare verticalaAmplasare verticala

cursul 1 ou

Documents