CHILARI TUDOR

UNIVERSITATEA PETROL-GAZE PLOIESTI

TEHNOLOGIA PETROLULUI I PETROCHIMIE

PROCES TRANSFER DE CLDUR

2

UNIVERSITATEA PETROL GAZE DIN PLOIETI FACULTATEA: TEHNOLOGIA PETROLULUI I PETROCHIMIE SPECIALIZAREA: TEHNOLOGII AVANSATE N PRELUCRAREA PETROLULUI

CATEDRA: INGINERIE CHIMIC I PETROCHIMIC

PROIECT DE SEMESTRU

DISCIPLINA: INGINERIA TRANSFERULUI DE CALDUR

MASTERAND: CONDUCATOR : EF LUCRRI DOCTOR INGINER CHILARI TUDOR LOREDANA NEGOI

PROIECTAREA TEHNOLOGIC A UNUI

SCHIMBTOR DE CLDURA

3

CUPRINS

UNIVERSITATEA PETROL GAZE DIN PLOIETI .................................................................. 2

CUPRINS .................................................................................................................................................. 3

INTRODUCERE ......................................................................................................................................... 4

Date de Proiectare ................................................................................................................................ 10

Breviar cu rezultate ............................................................................................................................... 11

Bilant termic pe schimbator .................................................................................................................. 12

Stabilirea geometriei aparatului ........................................................................................................... 13

Calculul coeficientului partial de transfer de caldura la interior, i ..................................................... 15

Calculul coeficientului partial de transfer de caldura la exteriorul tuburilor,e ................................... 17

Calculul suprafetei de schimb de caldura necesara schimbatorului..................................................... 22

CONCLUZII ............................................................................................................................................. 23

BIBLIOGRAFIE ........................................................................................................................................ 25

4

INTRODUCERE

Schimbatoarele de caldura sunt aparate (utilaje) in care se realizeaza

procese (operatii) de transfer de caldura intre doua fluide.

Clasificarea schimbatoarelor de caldura se poate face din mai multe

puncte de vedere, dintre care trei sunt mai importante:

1. clasificarea dupa procesul principal de transfer de caldura; 2. clasificarea dupa modul de contractare a fluidelor; 3. clasificarea dupa tipul constructiv al aparatului.

Dupa procesul principal de transfer de caldura, se deosebesc numeroase

clase de aparate, ca de exemplu: preincalzitoare, racitoare, condensatoare,

racitoare-condensatoare, refierbatoare, vaporizatoare, cristalizatoare,

recuperatoare, regeneratoare (schimbatoare de caldura propriu zise).

Dupa modul de contactare al fluidelor se deosebesc trei clase de aparate:

schimbatoare de caldura de suprafata, schimbatoare de caldura prin contact

direct (de amestec), schimbatoare de caldura cu fluid intermediar stationar.

Schimbatoarele de caldura de suprafata se caracterizeaza prin faptul ca

cele doua fluide care schimba caldura intre ele sunt separate prin pereti metalici,

in majoritatea cazurilor cilindrici (tubulari). Aceste schimbatoare sunt cele mai

frecvent utilizate.

Schimbatoarele de caldura prin contact direct nu contin pereti despartitori

intre fluide si cum fluidele vin in contact nemijlocit, transferul de caldura este

insotit si de un proces de transfer de masa.

Schimbatoarele de caldura cu fluid intermediar stationar sunt de conceptie

mai recenta, se utilizeaza in cazuri practice caracteristice si prezinta unele

avantaje specifice. Ele se caracterizeaza prin faptul ca transferul de caldura de la

fluidul cald la cel rece, care sunt in curgere libera prin schimbator, este mijlocit

de un fluid intermediar stationar in aparat.

Dupa tipul constructiv al aparatului se deosebesc numeroase clase de

schimbatoare, principalele tipuri fiind prezentate in cele ce urmeaza, cu exceptia

schimbatoarelor cu fascicul tubular in manta care, fiind cele mai utilizate, se

trateaza pe larg.

5

Schimbatoarele tub in tub (Fig. 1) constau in doua tuburi concentrice, un fluid circuland prin tubul interior, iar celalalt fluid prin spatiul inelar

(intertubular). Aceste schimbatoare prezinta avantajul de a lucra in contracurent,

dar sunt voluminoase si grele, in raport cu aria de transfer.

Fig.1 Schimbtor tub n tub

Schimbatoarele de caldura cu placi (Fig. 2) lucreaza cu presiuni relativ

mici pentru ambele fluide si au inceput sa fie utilizate si in industria

petrochimica, ele fiind usoare si cu gabarit mic in raport cu aria de transfer.

Schimbatoarele de caldura cu fascicul tubular in manta sunt cele mai utilizate

tipuri de schimbatoare. Ele au o arie specifica de transfer de caldura relativ mare

(18-40 m2/m

3) consum specific de metal relativ redus (35-80 Kg/m

2)

Fig.2 Schimbtor de caldura cu placi

6

Refierbatoarele sunt aparate de schimb de caldura cu fascicul tubular prin

care se realizeaza aportul de caldura la baza unor coloane de fractionare.

Aportul de caldura duce la vaporizarea partiala a lichidului de la baza coloanei.

Caldura necesara se obtine prin condensare de abur, prin racirea unei fractiuni

petroliere calde. In cazul unor sarcini termice mari sau al unor temperaturi de

vaporizare mari, aportul de caldura la baza coloanei se realizeaza printr-un

cuptor-refierbator, la care se consuma combustibil.

Refierbatoarele tip schimbatoare de caldura sunt de mai multe tipuri

constructive si functionale, tipurile principale fiind prezentate in continuare.

In Fig. 3 este redata schema unui refierbator termosifon vertical cu recirculare.

Refierbatorul este un schimbator de caldura cu fascicul tubular in manta, rigid si

cu un singur pas in tuburi, plasat vertical.

1 Alimentarea Referbatorului 2 Alimentarea cu abur 3 Mantaua schimbtorului 4 Fasciculul tubular 5 icane 6 Coloana de separare 7 - Platform 8 Talere 9 Deversor 10 Conducta Referbator-Coloan 11 Manloc 12 Produsul din baza coloanei

Fig. 3 Refierbtor termosifon vertical

Prin spatiul intertubular al refierbatorului circula agentul de incalzire(de

exemplu abur saturat care condenseaza; evacuarea condensului se face printr-o

oala de condens, care asigura inchiderea hidraulica). Debitul de agent de

incalzire este reglat de u regulator de temperatura, care asigura o temperatura

7

constanta pentru lichidul din baza coloanei. O parte din lichidul din baza

coloanei circula natural (prin termosifonare), prin tuburile refierbatorului, are

loc o vaporizare partiala si amestecul de lichid si vapori reintra in coloana, in

care are loc separarea fazelor.

In Fig. 4 este redata schema unui refierbator termosifon orizontal fara

recirculare.

1 Coloan de separare 2 Talere 3 Deversor 4 Conductele Coloan-Schimbtor 5 Manloc 6 Mantaua schimbatorului 7 Intrare agent termic 8 icane 9 Fascicul tubular

Fig.4 Refierbtor orizontal fr recirculare

In acest caz , vaporizarea lichidului, tot partiala se realizeaza in mantaua

refierbatorului. Daca se lucreaza fara recirculare, refierbatorul este alimentat, fie

direct din deversor, fie dintr-un compartiment realizat la baza coloanei si

alimentat de deversor. Se constata ca lichidul din amestecul evacuat nu mai

poate reveni in refierbator. Debitul de lichid care alimenteaza refierbatorul este

constant si egal cu debitul deversat de pe taler, acest lichid trecand o singura

data prin refierbator .

Refierbatoarele termosifon fara recirculare nu sunt recomandabile pentru

debite foarte mari de vaporizat, in raport cu debitul de produs de baza al

coloanei. La aceste refierbatoare nu se utilizeaza notiunea de coeficient de

recirculare, ci numai fractia masica a vaporizatului din amestec, care obisnuit

este mai mare decat la refierbatoarele cu recirculare .

8

In Fig. 4 este redata schema unui refierbator orizontal cu spatiu de vapori.

Acesta lucreaza fara recirculare si se caracterizeaza prin faptul ca separarea

fazelor se face in refierbator si nu in coloana.

Fig.4 Refierbtor orizontal cu spaiu de vapori (Kettle)

Mantaua refierbatorului contine in partea inferioara un fascicul de tuburi care

ocupa o inaltime mai mica decat diametrul mantalei. Tuburile sunt sustinute

obisnuit prin placi suport in forma de sfert de cerc.

Refierbatoarele cu spatiu de vapori sunt constructiv mai complicate si nu

lucreaza cu presiuni prea ridicate. Circulatia prin refierbator se realizeaza prin

termosifonare.

In Fig. 5 este redata schema unui refierbator interior orizontal. Acesta consta

intr-un fascicul tubular plasat in stratul de lichid din baza coloanei, al carui nivel

se mentine constant. Refierbatoarele interioare se utilizeaza in cazul sarcinilor

termice mici si al coloanelor de diametru mare. Ele se utilizeaza in prezent si la

striparea de fractiuni petroliere, la care s-a renuntat la striparea directa cu abur.

Aportul de caldura se realizeaza prin intermediul unei fractiuni petroliere mai

calde.

9

Fig.5 Refierbtor interior orizontal

Produsul cald utilizat este produsul petrolier, care este agent de incalzire in

acest sistem si vine cu un aport de caldura suficient pentru amestecul de vapori

componenti .

10

Date de Proiectare

Varianta 14

Fluid cald (produs petrolier)

Debit de produs petrolier, t/h 25

Densitate, ,d4

20 , g/cm

3 0,850

Factor de caracterizare, k 11,0

Temperatura intrare , tc1 , C 120

Temperatura iesire , tc2 , C 45

Fluid rece (apa)

Temperatura intrare , tr1 , C 30

Temperatura iesire , tr2 , C 40

Dimensiuni tuburi : de=25 mm

di=21 mm

11

Breviar cu rezultate

Caracteristica Valoare Unitate de masura

Caldura cedata, Qcedat 1176940 W

Debit de apa, mr 28,22 Kg/s

Aria recalculata, Aerec 92.944 m2

Coeficientul partial de caldura la

interiorul tuburilor, i

3040 W/m2o

C

Coeficientul partial de caldura la

interiorul tuburilor, e

860,63 W/m2o

C

Coeficientul global de caldura la

exteriorul tuburilor fara depuneri , ked

299,6 W/m2o

C

Coeficientul global de caldura la

exteriorul tuburilor cu depuneri , keddep

282,5 W/m2o

C

Aria necesara, Aenec 107,3 m2

Supradimensionarea, S 6,5 %

12

Bilant termic pe schimbator

primit

cedat

Fluidul care cedeaza caldura este produsul petrolier.

cedat

mr c ppp tpc

= 82,5

= 6,94 kg/s

cedat

1176940 W

Caldura specifica a produsului petrolier se calculeaza cu relatia :

c ppp d

d

tc (

c ppp 2054 K

K

primit

m (i-i => m r 28.219 s

Unde i respectiv i reprezinta entalpiile apei la temperaturile 30 si 40 C.

13

Stabilirea geometriei aparatului

Se considera circulatia fluidelor in contracurent si astfel se va calcula cu

urmatoarea relatie :

tc2=45oC tr2=40

oC

tr1=30oC

tcr=15oC tcc=80

oC

-

oC

tcc reprezinta diferenta de temperatura la capatul cald si se calculeaza

conform relatiei : tcc= tc2 tr1

tcr reprezinta diferenta de temperatura la capatul rece si se calculeaza astfel :

tcr= tc2 tr2

Se va presupune coeficientul global de transfer de caldura conform literaturii [1]

intre valorile corespunzatoare procesului pe care il studiem.

Presupun ked =300 W/m2 0

C

Se va calcula aria exterioara de transfer termic cu relatia :

Ae= 101 m

Cunoscand aria exterioara se determina geometria schimbatorului :

tn*L*ed*eA ; unde :

14

ed reprezinta diametrul exterior al tuburilor [mm] ;

L este lungimea tuburilor [m], pe care o vom presupune noi;

tn reprezinta numarul de tuburi.

Cu ajutolul relatiei anterioare se determina numarul de tuburi:

3214*0.025*

101

L*ed*

eAtn

Se va standardiza conform literaturii [1] numarul de tuburi dar si numarul de

pasuri ( pn ) pasul tuburilor (s) si diametrul interior al mantalei ( iD ) precum si

asezarea tuburilor in manta.

Date standardizate :

ntSTAS = 322 tuburi ; np= 4 pasuri ; s = 32 mm

Asezarea tuburilor este in patrat rotit astfel ca Di =0,6 m

Cu aceste valori standardizate se va recalcula Ae si apoi se verifica coeficientul

global de transfer de caldura presupun :

Aerec=ntSTAS de*L = 101 m2

Kedverif =299.6 W/m2 oC

Verificare : Diferenta intre K presupus si K verificat sa nu depaseasca 50

W/mC, astfel ca presupunerea a fost corecta.

15

Calculul coeficientului partial de transfer de caldura

la interior, i

Prin interiorul tuburilor circula apa, astfel pentru a determina viteza de

circulatie a acesteia prin tuburi se vor determina mai intai proprietatile ei.

Toate proprietatile se vor determina la temperatura calorica a apei.

Temperatura calorica se calculeaza cu ajutorul factorului caloric :

367,0crtcct

crtmedlog1t

C1F

Factorul caloric corecteaz temperatura caloric pe care vrem s o determinm.

35)r1

tr2

(tcFr1t

c1T [C]

Caracteristica , kg/m3 a,w/m

oC a, kg/m*s

30C 995,7 0,617 0,000000805

40C 992,2 0,634 0,000000659

Tc1 35C 993,95 0,6235 0,000000732

a) Vscozitatea cinematic, = 0,73*10-6 m2/s.

b Cldura specific a apei Caldura specifica a apei se determina din fluxul termic cedat

Cp = 4170 J/Kg*C

c Variaia conductivitii termice

Cm

Wo*

6235.0

d Variaia densitii

3/9.993 mkg

e Viscozitatea dinamic

sm

kg

*10*27,79.993*10*73.0* 46

16

Se vor calcula criteriile de similitudine :

viteza de curgere

p

ti

r

C

r

C

r

n

nd

m

A

m

A

m

*4

**

* 2

AC seciunea de cur ere (m2)

mr debit masic

nt numrul de tuburi

np numrul de pasuri

866,46235.0

10*27,7*4170*Pr

10101692910*27,7

95,993*021.0*24,1**Re

24,1

4

322*

4

021.0**95.993

22,28

4

4

4

2

P

i

C

curgeredeturbulentregimd

s

m

Pentru determinarea coeficientului i se folosete criteriul Nusselt din relaia

Sieder- Tate, considernd simplexul 1

14.0

p

.

Cm

W

d

Nu

dNu

Nu

o

i

i

ii

p

*3040

021.0

6235.0*8.2925*

*

8,2925866,4*1016929*027.0/*Pr*Re*027.0

2

3/18.014.03/18.0

17

Calculul coeficientului partial de transfer de caldura

la exteriorul tuburilor,e

La exteriorul tuburilor circula produsul petrolier, astfel pentru a

determina coeficientul partial de transfer de caldura la exteriorul tuburilor de

vor determina mai intai proprietatile acestuia la tempreratura calorica a

produsului petrolier.

Temperatura caloric reprezint temperatura la care se determin

proprietile fluidelor astfel nct valoarea medie a coeficientului lobal de

transfer de caldura sa fie cea real

Se calculeaz factorul caloric:

5.03.0367.01580

158,38log

crcc

crm

Ctt

ttF

Factorul caloric corecteaz temperatura caloric pe care vrem s o

determinm

CttFtt occCcC 5,7245120*367.045* 212

Proprietile fizice ale produsului petrolier se determin la tC = 72,5 oC.

a) Viscozitatea cinematic,

11

/854.0

5,72

;; 3151515

15

k

cmgd

Ct

kdtf

o

C

C

Din raficul A pa (Dobrinescu , -6 m2/s.

b) Cldura specific a produsului petrolier (pa omo hi

Ckg

JC

ktddC

oP

P

*2014

3544.011*0538.0*5,72*854.0*308.2148.6854.0*13322964

3544.0*0538.0***308.2148.6*13322964 151515

15

18

c) Variaia conductivitii termice

Cm

W

d

to

C

*132.0

854.0

5,72*10*33.61172.0*10*33.61172.0 5

15

15

5

d) Variaia densitii (pag.318 - omoghi)

3

2

3

220

4

20

4

20

4

3

/813850.0*5965850.0*63402290

205,721*850.0*10

*5965*63402290

201**10

mkg

dd

td C

e) Viscozitatea dinamic

sm

kg

*10*2,1813*10*15.0* 46

Determinarea diametrului sicanei,Ds:

Diametrul sicanei este mai mic decat diametrul interior al mantalei cu 3-6

mm,aceasta toleranta variind in functie de Di.

Ds=Di -4.4*0.001=0.696 m

Diametrul orificiilor din sicana este mai mare cu 0.5-1 mm.Alegerea unei

valori se face din tabel in functie de distanta dintre sicane,x=0.15 m, astfel ca:

Do=de+0.8*0.001=0.026 m

Diametrul fascicului de tuburi se determina din date practice si este :

Df=Di-12*0.001=0.59 m

Coeficientul de convectie se calculeaza prin urmatoarea metoda:

Pentru asezarea in patrat rotit a tuburilor Nu se calculeaza astfel:

Viteza fluidului se calculeaza pentru sectiunea centrala libera dintre doua sicane

alaturate:

- - -

19

Calculul vitezei fluidului prin manta si criteriile de similitudine :

19.10132.0

10*2.1*13120*Pr

101312010*2.1

813*021.0*4.0**Re

4.0*850

94.6

4

4

4

1

P

i

C

curgeredeturbulentregimd

s

m

S

Parametrul z se determina din tabel (pag 339 Dobrinescu) in functie de Di

si de raportul h/Di,unde h reprezinta inaltimea sicanei. Z=0.75

Numarul tuburilor din fereastra se determina cu relatia

Aria totala a ferestrei se determina din tabel in functie de raportul h/Di :

Af=0.11182*Di2=0.04 m

2

Aria libera a ferestrei sicanei se calculeaza cu relatia :

= 0.017 m

2

Factorul C1 tine seama de inaltimea relativa a sicanei si ia valori intre 1-

1.5 si se calculeaza astfel :

Factorul C2 tine seama de curgerile longitudinale secundare printre sicana

si manta si printre tuburi si orificiile din sicana.Acesta se citeste din tabel in

functie de anumiti parametrii ce urmeaza a fi determinati.

= 0,026 m

20

Unghiul la centru al coardei sicanei este de 106oastfel ca

Coeficientul C2 se citeste in functie de [(asm+ato)/S, asm/(asm+ato)] si are valoarea

C2=0.59

Factorul C3 tine seama de curgerile transversale laterale, printre fascicul

si manta. Valoarea lui C3 se poate mari prin amplasare de sicane longitudinale

de etansare.

Se admite numarul perechilor de sicane de etansare Ns1=2.

Calculul numarului de siruri plasate intre marginile ferestrelor.

sp=s =0.045

Nif=7,955

C3=0.998

Nupp=137,07

e=860,63 W/m2 o

C

21

Verificarea coeficientului global de transfer de caldura la exteriorul tuburilor

pentru tuburi fara depuneri se face considerand tpi = tpe = tp

Diferenta de temperatura la exteriorul tuburilor este :

Temperatura peretelui este tp = tc11-32,4=39,6 oC.

Viscozitatea apei la temperatura peretelui se determina prin interpolare:

pa=kg/m*s

Se determina densitatea fractiunii petroliere la temperatura peretelui:

ppp=kg/m3.

Viscozitatea cinematica se determina din grafic si este :

ppp= m2/s.

Viscozitatea dinamica la temperatura peretelui este :

ppp=ppp*ppp= kg/m*s.

Coeficientul partial de transfer de caldura la interiorul tuburilor este :

w/m2oC

Coeficientul partialde transfer de caldura la exteriorul tuburilor este :

22

Calculul suprafetei de schimb de caldura necesara

schimbatorului

Se va determina pentru inceput coeficientul global de transfer de caldura

cu depuneri conform relatiei :

deR

e

1

id

edlno2

ed

id

ed

diR

i

1

1

edK

[w/mC] unde :

diR

reprezinta rezistenta depunerilor la interiorul tuburilor aleasa conform

literaturii, in functie de fluidul care circula in interiorul acestora [mC/w]

deR

rezistenta depunerilor la exteriorul tuburilor aleasa conform literaturii in

functie de fluidul care circula la exteriorul acestora [mC/w]

Rdi = 0,00176 (m2 *

oC)/W (pentru apa)

Rde = 0,00035 (m2 *

oC)/W (produs petrolier)

o= 30 w/moC

Cm

W

Rd

dd

d

dR

ko

e

de

i

e

O

e

i

e

di

i

ed*

5.2821

ln*2

*1

12

Ked = 282.5 [w/mC]

2

log

3.1078.38*5.282

1176940

*m

tk

QA

med

nece

Supradimensionarea aparatului se poate calcula :

100*erecA

enecAerecAS

=6,5 [%]

Verificare : supradimensionarea trebuie sa se situeze intre valorile de 5 si 20 %.

23

CONCLUZII Dimensionarea tehnologica a unui schimbator de caldura se face in

scopul cresterii parametrilor si performantei reale de functionare, in raport cu

datele prevazute in proiect, al cunoasterii variatiilor acestora in timp si al

constatarii sub/supradimensionarii aparatului, in raport cu sarcina termica

prevazuta.

Pentru a realiza dimensionarea unui astfel de aparat este necesar sa se

cunoasca urmatoarele :

a. natura celor doua fluide de lucru b. debitele acestora c. temperaturile de intrare si iesire ale acestora d. presiunile initiale si finale e. dar si datele geometrice ale aparatului.

Prima operatie efectuata este bilantul termic al racitorului prin aplicarea

ecuatiei calorice pentru cele doua fluide de lucru. Daca intre fluxul termic cedat

de catre fluidul cald si cel primit de catre cel rece exista o diferenta

apreciabila,se poate afirma ca datele folosite nu sunt bune trebuind revizuite.

Se stabilesc temperaturile calorice ale celor doua fluide si in functie de

aceasta se determina proprietatile fizice.

Se determina diferenta medie de temperatura si vitezele caracteristice ale

fluidelor prin aparat, comparandu-se cu datele din proiect si cu datele din

literatura.

Se fixeaza care fluid circula prin tuburi si care circula prin manta : apa

prin manta si produsul petrolier prin tuburi.

Se presupune in conformitate cu recomandarile din literatura coeficientul

global de transfer de caldura cu depuneri, corespunzator ariei exterioare de

transfer de caldura.

Tuburile folosite in acest schimbator de caldura au diametrul interior de

21 mm si cel exterior de 25 mm. Lungimea tuburilor este in majoritatea

cazurilor 6 m in functie de necesitati, dar se pot folosi si tuburi de urmatoarele

lungimi : 2,3,4,9,12 m.

In functie de aceasta lungime si de edK presupus se calculeaza numarul

de tuburi care se vor standardiza.

Cu ajutorul relatiei lui Newton, dupa recalcularea ariei exterioare de

transfer de caldura din datele geometrice ale aparatului,si se stabileste valoarea

reala a coeficientului de transfer de caldura cu depuneri cu care lucreaza

aparatul, luand in considerare si rezistentele termice ale depunerilor.

Se verifica apoi aria sectiunii verticale a spatiului de vapori prin cele doua

variante : varianta analitica si grafica.

24

Schema simplificata a schimbatorului de caldura este prezentata in figura Fig. 6

Fig.6. Schema simplificata a unui schimbator de caldura cu sicane

25

BIBLIOGRAFIE

1. Dobrinescu D. "Procese de transfer termic si utilaje specifice", Editura Didactica si Pedagogica,Bucuresti,1983

2. Suciu G.C. "Ingineria prelucrarii hidrocarburilor,vol 4" editura Tehnica, Bucuresti, 1993

3. Somoghi V., Patrascu M., Patrascu C.,Dobrinescu D., Ioan V. "Proprietati fizice utilizate in calcule termice si fluidodinamice" ,Editura Universitatii Petrol si Gaze,

Ploiesti, 1997