proiect schimbatoare de caldura

Upload: niculagabi

Post on 14-Jul-2015

405 views

Category:

Documents


12 download

TRANSCRIPT

UNIVERSITATEA MARITIM

CONSTAN A

FACULTATEA DE ELECTROMECANIC NAVAL Specializarea: ELECTROMECANIC NAVAL

PROIECT TERMOTEHNIC 2

ndrum tor, Prof. Univ.Dr. Ing. TUDOR DARIE Asis. Univ.Dr. Ing. DANIELA-ELENA MITU

Student, Martinas Marius MA31

Cuprins1 Tipuri constructive i clasific ri

2 Schimb toare de c ldur de tip recuperativ 2.1 Schimb toare de c ldur f r schimbare de faz 2.1.1 Schimb toare de c ldur cu fascicul tubular 2.1.2 Schimb toare de c ldur cu serpentine 2.1.3 Schimb toare de c ldur cu pl ci 2.1.4 Schimb toare de c ldur spirale 2.2 Schimb toare de c ldur cu schimbare de faz 2.2.1 Condensatoare 2.2.2 Vaporizatoare 2.3 Calculul termic al recuperatoarelor 2.3.1 Metoda LMTD 2.3.2 Schimb toare de c ldur cu suprafe e extinse 3 Schimb toare de c ldur de tip regenerativ 3.1 Cowpere 3.2 Prenc lzitoare rotative 3.3 Calculul termic al regeneratoarelor 3.4 Compara ie ntre recuperatoare 4. Turnuri de r cire 5. Bibliografie i regeneratoare

2

Schimb toare de c ldur CAPITOLUL IUn schimb tor de c ldur este un echipament de transfer termic, care transmite c ldura de la un mediu la altul. Transmiterea c ldurii ntre cele dou medii se poate face printr-un perete solid, care le separ , sau se poate face prin amestecarea mediilor. Dac mediile sunt n contact cu peretele desp r itor pe fe e diferite, c ldura trecnd prin perete, schimb torul este de tip recuperativ, iar dac mediile sunt n contact succesiv cu aceea i fa a peretelui, c ldura acumulndu-se n perete i fiind cedat celuilalt mediu ulterior, schimb torul este de tip regenerativ. Transferul de c ldur are loc ntotdeauna, conform principiului al doilea al termodinamicii, de la mediul mai cald la cel mai rece. Schimb toarele de c ldur se folosesc n procese de nc lzire, topire, sublimare, fierbere, vaporizare, condensare, r cire industria chimic i solidificare. Ele i g sesc o i ca anexe ale larg aplicabilitate n instala iile de nc lzire, refrigerare, climatizare, distilare (n i petrochimic ), n centralele termice, termoficare ma inilor termice. Un exemplu foarte cunoscut este radiatorul autovehiculelor, unde fluidul cald (apa de r cire a motorului) transfer o parte din c ldura evacuat din motor unui fluid rece (aerul din mediul ambiant). Model transparent al unui schimb tor de c ldur simplu posibil. eav n eav , cel mai

3

1.Tipuri constructive

i clasific ri

Dup modul de transfer termic schimb toarele se mpart n schimb toare de suprafa , la care transmiterea c ldurii se face printr-un perete desp r itor, de separa ie, cu o conductivitate termic ct mai mare i considerat suprafa

schimb toare prin amestec, la care transmiterea c ldurii se face prin amestecul mediilor. Deoarece sunt mai simple i mai eficiente, schimb toarele prin amestec sunt preferate n toate cazurile n care fluidele se pot amesteca. Transferul termic poate fi sta ionar n timp (continuu) sau nesta ionar (periodic). Cele cu transfer continuu sunt realizate de obicei cu suprafa separa ie c ldura ntr-o perioad de timp de i sunt numite recuperatoare, iar cele cu transfer nesta ionar acumuleaz i o restituie n alta, fiind numite regeneratoare. Un i livrat apoi la cerere. evi n fascicul tubular,

alt tip de schimb toare de c ldur nesta ionare sunt acumulatoarele, n care c ldura este acumulat

Suprafa a de schimb de c ldur poate fi realizat din de tip eav n eav , din

evi n form de serpentin sau din pl ci profilate.

Suprafa a poate s fie neted sau cu nervuri, aripioare (suprafe e extinse). De-a lungul suprafe ei, fluidele pot curge n acela i sens, caz n care se spune c curg n echicurent, sau n sensuri contrare, caz n care se spune c curg n contracurent. Exist i scheme de curgere complexe, cum sunt curgerile n curent ncruci at, n uvi elor de care cele dou fluide curg perpendicular unul pe altul, cu amestecarea (curgere neamestecat ),

fluid pe partea respectiv a suprafe ei (curgere amestecat ) sau f r amestecarea lor i scheme mixte, cu una sau mai multe treceri. Simbolurile folosite n schemele termice care con in schimb toare de c ldur erau standardizate conform STAS 2644-73, ns n 2009 acest standard a fost anulat, f r a fi nlocuit de un altul.

4

2.Schimb toare de c ldur de tip recuperative

2.1 Schimb toare de c ldur f r schimbare de faz Majoritatea schimb toarelor lucreaz f r schimbarea st rii de agregare a mediilor, iar transferul termic are loc ntre fluide: lichid-lichid (r citoare, nc lzitoare, prenc lzitoare), lichid-vapori (condensatoare), lichid-gaz (radiatoare, boilere, butelii de nc lzire, n instala ii frigorifice), vapori-lichid (vaporizatoare, prenc lzitoare, fierb toare), vapori-gaz i gaz-gaz. Exist ns i schimb toare la care unul dintre medii este solid, de exemplu cele care men in apa nghe at ntr-un patinoar.

2.1.1 Schimb toare de c ldur cu fascicul tubular Aceste schimb toare sunt formate dintr-o manta n care se afl o serie de montate sub forma unui fascicul. Capetele tubulare. Schimb tor de c ldur cu fascicul tubular U. evi, evilor sunt fixate n una sau dou pl ci

Cel mai simplu

i mai ieftin tip de schimb tor este cel cu dou pl ci tubulare fixe, evi drepte. Deoarece curgerea fluidelor se

ntre care este montat un fascicul de foarte bune. Dac propriet

poate organiza n contracurent, acest tip de schimb tor are performan e termice ile fizice ale unuia din fluide cer ca acesta s parcurg un drum mai lung, curgerea n interiorul fasciculului se poate organiza n 2, 3 sau 4 treceri, ns n acest caz pentru a realiza acela i transfer termic, deoarece eficien a schimb toarelor de acest tip este mai mic , este nevoie de suprafe e mai mari ale fasciculului, deci ele devin mai mari i mai scumpe.5

Etan area ntre cele dou fluide este foarte bun , eventuale scurgeri putnd ap rea doar la mbinarea imperfect dintre temperaturilor diferite materialelor evilor evi i pl cile tubulare sau n cazul spargerii evi i manta din cauza evilor. Deoarece apar diferen e de dilatare ntre i mantalei, mbin rile

i eventual a coeficien ilor de dilatare diferi i ai evilor cu placa tubular sunt solicitate

i pot sl bi, compromi nd etan eitatea. Pentru a reduce aceste solicit ri se pot prevedea compensatoare de dilatare, care ns fac ca mantaua s fie foarte elastic , iar ea trebuie sus inut n mai multe puncte de sprijin. O alt solu ie pentru reducerea solicit rilor este ca una dintre pl cile tubulare s fie mobil i etan at n manta cu o garnitur (schimb toare cu cap mobil),ns aceasta se poate uza, compromi nd etan eitatea. O alt problem este c fasciculul de cnd cur evi este greu de cur at la exterior, ceea ce

face ca acest tip de schimb tor de c ldur s fie recomandat pentru fluide curate, sau irea se poate face chimic, f r demontarea fasciculului.

Dac este nevoie de reducerea ct mai mult a solicit rilor fasciculului, acesta poate fi format din ns cur evi n form de U, fixate ntr-o singur plac tubular ns aceasta se evile se pot dilata liber n manta, irea evilor devine dificil i n interior, nu numai n exterior. evilor este icane, care evi. poate uza, compromi nd etan eitatea. Astfel,

Coeficientul de schimb de c ldur la curgerea unui fluid de-a lungul considerabil mai mic dect cel la curgerea perpendicular pe evi viteza de curgere a fluidului. De aceea, n manta se plaseaz o serie de Distan a dintre

i depinde de

dirijeaz curgerea fluidului din exteriorul fasciculului relativ perpendicular pe dorit . De asemenea, prezen a icanelor uniformizeaz curgerea i m re te

icane ofer o sec iune de curgere care asigur viteza de curgere e te coeficientul de schimb de c ldur . Tot

turbulen a fluidului, ceea ce mbun t

6

ele rigidizeaz fasciculul de

evi. Nu este obligatoriu ca

icanele s asigure

etan eitatea compartimentelor dintre ele, proiectan ii exploatnd aceast posibilitate pentru uniformizarea solicit rilor termice convenabil. Un caz la limit n cazul acestor schimb toare sunt cele numite eav n care fasciculul se reduce la o singur dintr-o eav , iar mantaua este confec ionat eava este pliat , eav . De obicei, pentru reducerea spa iului ocupat eav , la i ea i reducerea pierderilor de presiune, ns cu pre ul sc derii eficien ei. La proiectare se alege compromisul

practic prin cuplarea mai multor schimb toare scurte. Schem cu dou pl ci tubulare, cu fascicul drept, cu o singur trecere.

Schem cu dou pl ci tubulare, cu fascicul drept, cu dou treceri.

7

Schem cu o singur plac tubular , cu fascicul U.

Schimb tor de c ldur

eav n

eav .

2.1.2 Schimb toare de c ldur cu serpentine Aceste schimb toare sunt formate dintr-o serie de form elicoidal sau nc lzirea apei din rezervoare cu acumulare. Schimb toarele cu serpentine erpuite sunt formate din mai multe serpentine n evi n form de serpentin , n erpuite.[9] Serpentinele elicoidale sunt folosite de obicei la

paralel, cu capetele legate la colectoare. Sunt schimb toarele obi nuite pentru recuperarea c ldurii din gazele de ardere la generatoarele de abur, caz n care aceste8

serpentine, prin care circul apa sau aburul, sunt plasate n canalele de gaze de ardere. Trecerile succesive ale evilor prin canalul de gaze determin un model al amplas rii ah este, la acelea i viteze de circula ie ale evilor, care poate fi n linie (n paralel, n coloan ) sau alternat (n zig-zag, n e ichier). Modelul amplas rii n fluidelor, mai eficient din punctul de vedere al transmiterii c ldurii. Economizorul unui generator de abur de 60 t/h.

La generatoarele de abur acest tip de schimb toare de c ldur se ntlne te n special la spranc lzitoarele de convec ie i la economizoare. La supranc lzitoare volumul de volumul unui lichid. evilor este cuprins ntre valorile de aburului care trebuie supranc lzit este relativ mare fa Viteza de curgere a aburului prin interiorul

1225 m/s, valorile mai mici corespunznd presiunilor mari ale aburului. Pentru a realiza sec iunea necesar pentru curgerea aburului destul de frecvent se amplaseaz n planul serpentinei cte dou sau trei evi n paralel, rezultnd a a-zisele serpentine duble, respectiv triple. Pentru a- i putea ndeplini sarcina, supranc lzitoarele trebuie plasate n zone de temperatur nalt a gazelor, la care materialele nu rezist dac nu sunt r cite. Serpentinele sunt sus inute de intercal rii n fascicul a evi de sus inere r cite prin circula ia n interior a apei sau a aburului. Necesitatea evilor verticale de sus inere face ca amplasarea alternat a i n serpentinelor s fie mai pu in eficient ca n cazul economizoarelor. La supranc lzitoare se folose te curgerea fluidelor att n contracurent, ct

9

echicurent, sau n scheme de curgere complexe, n func ie de necesit limitarea solicit rilor mecanice i termice.

ile privind

Economizoarele au aceea i construc ie cu a supranc lzitoarelor. Prin interiorul evilor circul ap , cu viteza de 0,11,0 m/s, iar la nevoie se pot amplasa dou pachete de evi de economizor n paralel, astfel c nu este nevoie de serpentine evi r cite, ci pot fi sus inute de i alternat. n caz c duble sau triple. Deoarece economizoarele sunt amplasate n zone de temperatur moderat , nu este nevoie s fie sus inute de platbande, ceea ce permite aranjarea gazele de ardere con in cenu evilor att n linie, ct

, adic provin din arderea c rbunilor, se prefer evilor. Altfel se prefer dispunerea

dispunerea n linie, care reduce eroziunea

alternat , mai eficient la transmiterea c ldurii. Spre deosebire de aburul care curge prin supranc lzitoare, apa care curge prin economizoare are o concentra ie de s ruri mult mai mare, s ruri din care o parte se depun n interiorul evilor, colmatndu-le.

2.1.3 Schimb toare de c ldur cu pl ci Sunt folosite n industria alimentar , de exemplu la nc lzirea berii i vinului puncte termice de cartier. Schimb tor de c ldur cu pl ci. Amplasarea pl cilor. i r cirea laptelui, i n i la prepararea apei calde de consum, n instala ii individuale

10

Forma unei pl ci.

Aceste schimb toare sunt alc tuite dintr-un set de pl ci individuale montate ntr-un cadru metalic de sus inere i strnse cu buloane. Fiecare pereche de pl ci al turate formeaz un canal de curgere, astfel nct n dou canale adiacente sensul de curgere al celor dou fluide este ntotdeauna n contracurent. Pl cile sunt executate din foi metalice sub iri, din o eluri inoxidabile, prin presare, att pentru m rirea rigidit agen ilor termici i sunt prev zute cu ondula ii realizate i pentru mbun t irea transferului ii, ct

termic prin m rirea turbulen ei fluidelor. Etan area ntre pl ci mpiedic amestecul i scurgerea acestora spre exterior i se realizeaz cu garnituri. Garniturile din cauciuc, r pn la 200 C. ini, butil sau neopren rezist la presiuni pn la 25 bar i temperaturi de 150 C, iar cele de azbest

(suficiente pentru instala ii de nc lzire)

11

Acest tip de schimb toare sunt compacte, la un volum dat ofer o suprafa schimb de c ldur mare, suprafa a de schimb de c ldur poate fi m rit sau mic orat conform necesit fabrica ie reduse

de

ilor, ad ugnd sau sco nd pl ci, au costuri de at. Au ns i probleme. Buloanele se pot

i sunt u or de cur

relaxa, caz n care apar scurgeri pe lng garnituri, ns scurgerile au loc spre exterior, nu prin amestecarea fluidelor. Au c deri de presiune relativ mari, ceea ce m re te costurile de pompare. Dac apare o avarie, repararea dureaz mult, mai ales dac sunt sute de pl ci impurit ile. i se pot colmata relativ u or, nervurile re innd

2.1.4 Schimb toare de c ldur spirale La aceste schimb toare suprafa a de schimb de c ldur este format dintr-o band rulat n form de spiral , realizndu-se astfel ntre spire dou canale, n care se poate organiza ca cele dou fluide s circule n contracurent sau n curent ncruci at. Datorit suprafe elor relativ plane, de obicei presiunea de lucru este limitat la 20 bar, dar exist mici i construc ii care se pot folosi la presiuni de sute de bar, respectiv temperaturi de sute de C. Sunt schimb toare compacte, cu c deri de presiune relativ i pot fi folosite pentru fluide care pot colmata u or canalele, tipul de curgere irea. prin schimb tor favoriznd autocur

Schema unui schimb tor de c ldur spiral.

12

2.2 Schimb toare de c ldur cu schimbare de faz 2.2.1 Condensatoare Condensatoarele folosite n industria alimentar i cea chimic sunt formate de obicei din serpentine prin care circul vaporii care trebuie condensa i, scufundate ntr-un vas cu ap de r cire, sau, de exemplu la ma inile frigorifice, din serpentine cu suprafe e extinse n exteriorul c rora circul aerul de r cire. Unele dintre cele mai mari condensatoare sunt folosite n termocentrale, la condensarea aburului evacuat de turbinele de abur, n vederea realiz rii unei presiuni ct mai sc zute la ie irea din turbin .

Schema unui condensator.

Condensatoarele de suprafa

permit realizarea unor presiuni foarte mici (un vid

foarte naintat), iar condensatul ob inut este foarte pur, f r aer. Ele sunt formate13

dintr-o manta

i un fascicul tubular format din

evi cu diametrul de 1724 mm evilor, se eav n

i

grosimea peretelui de 0,51 mm, din alam sau titan, fixate prin mandrinare n dou pl ci tubulare. Drept mediu de r cire, care circul prin interiorul folose te n general apa exterioar a i foarte rar aerul. Aburul condenseaz pe suprafa a eav i ar nr ut i schimbul

evilor. Pentru a evita scurgerea condensatului n jos din

eav , ceea ce ar m ri grosimea peliculei de ap pe de c ldur , ntre scurgerea condensatului.

evi sunt plasa i din loc n loc pere i desp r itori care dirijeaz

evile condensatoarelor sunt supuse fenomenelor de coroziune condensatoarele cu interioar a

i de colmatare. La evilor, ct irea

evi de titan, att depunerile pe pere ii interiori ai

i coroziunea cauzat de microorganismele din ap este mult mai mic , iar cur evilor se poate face mult mai u or. Cur nailon sau cu bile de cauciuc. Dac aceste num r cre te, ele trebuie nlocuite. evi nu se pot cur

irea se poate face cu perii de a ele se nfund cu

dopuri la capete. Se admite nfundarea doar a 34

evi la fiecare mie. Dac acest

2.2.2 Vaporizatoare Se folosesc n cazurile n care lichidul trebuie transformat n vaporii s i, prin fierbere, cum ar fi n industria chimic , la distilare. n acest caz schimb torul este cu fascicul tubular, iar vaporii forma i se adun n spa iul de abur de sus. Alt tip de fierb tor este cel din sistemele fierb toare ale generatoarelor de abur. Aceste vaporizatoare sunt formate actual exclusiv din sudare la colectoare. Centralele nucleare produc curent electric folosind turbine cu abur, exact ca termocentralele. Primele centrale nucleare aveau reactoarele r cite cu gaze (erau de tip GCR, AGR, respectiv HTGR), iar aburul era produs n vaporizatoare cu evi verticale cu suprafe e netede, asamblate prin

14

serpentine, foarte asem n toare cu a schimb toarelor de c ldur folosite n generatoarele de abur cu combustibili fosili. Schema unui fierb tor folosit n industria chimic .

La centralele nucleare cu dou circuite, la care reactoarele sunt r cite cu ap sub presiune (de tip PWR, inclusiv CANDU), aburul care ac ioneaz turbinele este produs cu ajutorul generatoarelor de abur pentru centrale nucleare. Acestea sunt n principiu tot schimb toare de c ldur , care transmit c ldura din circuitul primar (al reactorului nuclear) apei din circuitul secundar, pe care o vaporizeaz . Ele trebuie s satisfac la cel mai nalt nivel cerin ele de fiabilitate i disponibilitate (MTBF), fapt i care se ob ine prin alegerea solu iilor care minimizeaz solicit rile mecanice

termice din componentele lor ( evi, pl ci tubulare). De asemenea, pentru evitarea contamin rii radioactive, se folosesc solu ii constructive care mpiedic intrarea n contact a celor doi agen i termici n caz de pierdere a etan eit ii. Principiul unui generator de abur vertical pentru CNE. *1 fascicul tubular; *2, *3 ie irea, respectiv intrarea agentului termic primar; *4 spa iu de abur.

15

Construc ia acestor generatoare este de tip manta dispus att orizontal, ct

i fascicul tubular, care poate fi i CNE i

i vertical. Generatoarele cu dispunerea orizontal a

fasciculului (de exemplu la CNE Shippingport, CNE Novo Voronej

Beloiarsk) sunt mai compacte pentru un debit de abur dat, ns nivelul apei variaz la nclinarea lor, astfel c , de i forma ar fi potrivit , nu sunt adecvate pentru unit mobile (nave, submarine). Generatoarele cu dispunerea vertical a fasciculului (solu ia Westinghouse), de i ridic probleme la fixarea de c ldur mai eficient. De i sunt destinate domeniului nuclear, calculul termic al acestor generatoare de abur se face n mod identic cu al oric rui alt recuperator. Un alt caz n care se folosesc vaporizatoarele este cnd un lichid este r cit prin vaporizarea unei p r i din el. Vaporii preiau o cantitate de c ldur n func ie de c ldura latent de vaporizare a substan ei. Un exemplu este la instala iile frigorifice, unde este r cit freonul folosit ca agent frigorific. Vaporizatoarele de acest tip sunt formate din evi orizontale sau verticale. Cele cu16

i etan area fasciculului

pe placa tubular de la baz , sunt folosite actual n exclusivitate, datorit schimbului

evi orizontale sunt mai

simple, iar cele cu c ldur .

evi verticale mai eficiente din punct de vedere al schimbului de

2.3 Calculul termic al recuperatoarelor n cazul schimb toarelor de c ldur recuperative n care cele dou medii ntre care se transmite c ldura sunt fluide (cazul obi nuit), calculul c ldurii transmise se bazeaz pe o rela ie de bilan . Deoarece schimb toarele se pot izola termic bine, pierderile pot fi considerate foarte mici, ca urmare se consider c c ldura cedat de fluidul cald este egal cu cea care transmis prin peretele desp r itor de fluidul rece. 2.3.1 Metoda LMTD Metoda LMTD (englez Log mean temperature difference) este metoda clasic de calcul. Ea se bazeaz pe diferen a medie logaritmic de temperatur . Se obi nuie te s se noteze cu 1 fluidul cald, iar cu 2 fluidul rece. Intr rile sunt notate cu (prim), iar ie irile cu (secund). Cu aceste conven ii, temperatura fluidului cald la ie irea din schimb tor este notat . Fluxul termic cedat de fluidul cald este: i este egal cu cea primit

cel primit de fluidul rece este:

iar cel transmis: Primele dou rela ii stabilesc leg turi ntre natura, debitele dou fluide, iar a treia permite dimensionarea suprafe ei termic. n rela iile de mai sus:17

i temperaturile celor necesar transferului

sunt debitele masice ale celor dou fluide, sunt capacit ile termice masice, ii termice, sunt fluxurile capacit

este coeficientul global de transfer termic, este diferen a medie logaritmic de temperatur . Valoarea produsului se poate calcula din rela ia general :

unde rezisten a termic a peretelui se calculeaz cu rela iile: n cazul peretelui separator plan, respectiv n cazul peretelui separator cilindric ( eav ). n rela iile de mai sus: - sunt suprafe ele de schimb de c ldur pe fe ele 1, 2, respectiv prin mijlocul grosimii evii, i interior ale evii, respectiv lungimea ei, dac i fluidul respectiv, - sunt diametrele exterior

suprafa a este considerat cilindric , - sunt coeficien ii de convec ie ntre perete este considerat plan , - este conductivitatea termic a materialului peretelui desp r itor. Deoarece de obicei grosimea evilor este relativ mic fa de diametrul lor, evilor nu suprafa a de schimb de c ldur calculat pe suprafa a exterioar a- este grosimea peretelui desp r itor, n caz c suprafa a de schimb de c ldur

difer mult de cea calculat pe interiorul lor. Cu foarte rare excep ii, aceste suprafe e sunt considerate egale, ca urmare suprafa a de schimb de c ldur este calculat ca i cnd ar fi plan , caz n care . Rela ia pentru calculul coeficientul global de transfer termic se simplific la:18

Diferen a medie logaritmic de temperatur depinde de tipul curgerii. Intuitiv, cel mai simplu schimb tor de c ldur este cel cunoscut drept eav n interioar . n acest caz, cele dou fluide pot curge de-a lungul eav , eava prezentat n prima figur a articolului. Peretele desp r itor dintre fluide este

evii n acela i sens,

curgere numit n echicurent, sau n sensuri contrare, curgere numit n contracurent. Pentru aceste tipuri de curgeri diferen a medie logaritmic de temperatur se calculeaz cu rela ia:

unde: sunt diferen ele de temperatur ntre fluidul cald suprafe ei, adic : pentru echicurent (v. fig.): i cel rece la capetele

pentru contracurent (v. fig):

Pentru orice alte tipuri de curgere este nevoie s se stabileasc rela ii pentru diferen a medie logaritmic de temperatur sau coeficien i de corec ie fa curgerea n contracurent. Varia ia temperaturilor de-a lungul suprafe ei pentru curgere n echicurent. Fluxul capacit ii termice a fluidului cald este mai mic (a) respectiv mai mare (b) ca cel al fluidului rece. de

19

Varia ia temperaturilor de-a lungul suprafe ei pentru curgere n contracurent. Fluxul capacit ii termice a fluidului cald este mai mic (a) respectiv mai mare (b) ca cel al fluidului rece.

2.3.2 Schimb toare de c ldur cu suprafe e extinse Se folosesc n cazurile cnd coeficientul de convec ie pe partea unuia din fluide este mult mai mic dect cel de pe partea celuilalt fluid, caz n care mbun t irea coeficientului global de transfer termic se poate ob ine prin m rirea (extinderea) suprafe ei de contact cu fluidul care are coeficientul de convec ie mai mic. Suprafe ele extinse sunt recomandate pentru r citoarele de ulei (pe partea uleiului), radiatoare pentru autovehicule, alte tipuri de r citoare, condensatoare pentru instala ii de climatizare (la toate pe partea aerului).

20

P r ile care extind suprafe ele, numite curent nervuri, se ob in prin extrudare, sau se lipesc pe suprafa a de baz prin brazare (lipire la cald cu material de adaos metalic) n cuptoare cu vid. n acelea i cuptoare se execut complementare: de durificare, c lire, recoacere etc. i tratamentele termice

3. Schimb toare de c ldur de tip regenerativ Schimb toarele de tip regenerativ, cunoscute i sub numele de recuperatoare intermitente, sunt caracterizate prin faptul c transferul termic de la fluidul cald spre fluidul rece se face prin intermediul unei umpluturi, care este nc lzit periodic de fluidul cald, iar apoi cedeaz c ldura primit fluidului rece. Uzual umplutura este din materiale ceramice sau din materiale metalice, de obicei o el. Curgerea fluidelor este organizat de obicei n contracurent. Cele mai cunoscute schimb toare de c ldur regenerative sunt cele de tip Cowper de abur energetice i prenc lzitoarele rotative ale generatoarelor i ale unor turbine cu gaze.

3.1 Cowpere Regeneratoare Cowper. Regeneratoarele Cowper se folosesc n metalurgie, la prenc lzirea aerului introdus n furnale. n furnal trebuie realizat o temperatur foarte nalt , necesar topirii fierului, ceea ce necesit ca aerul introdus n furnal s aib o temperatur ct mai ridicat , uzual 12001350 C. nc lzirea aerului se poate face recupernd c ldura din gazele de furnal, care au la ie irea din furnal o temperatur foarte nalt , de 15501650 C. Instala ia care asigur transferul c ldurii de la gazele de furnal la aerul care va fi introdus n furnal trebuie s reziste la aceste temperaturi mari i trebuie s poat asigura debite de aer mari. Aceste schimb toare de c ldur se construiesc sub forma unor turnuri umplute cu c r mizi refractare, amplasate decalat, cu spa ii ntre ele, prin care circul gazele, respectiv aerul. Se pot folosi c r mizi de form obi nuit ,

21

dar exist forme de c r mizi mai eficiente, care reduc pierderile de presiune, deci energia consumat de suflantele care asigur circula ia fluidelor. Materialele folosite la c r mizi au drept component principal alumina (Al2O3) sau forsterita (Mg2SiO4). La fiecare furnal exist cel pu in dou turnuri, dar de obicei mai multe. Prin unul din ele circul gazele de furnal i nc lzesc umplutura, iar prin cel lalt, deja cald, circul aerul, care se nc lze te de la umplutur . Cnd temperatura turnului nc lzit cre te suficient, iar cea a turnului care nc lze te a sc zut, se comut func ionarea turnurilor, cel care a fost nc lzit de gaze devine nc lzitor de aer, iar cel care a nc lzit aerul va fi nc lzit de gazele de furnal.

3.2 Prenc lzitoare rotative Prenc lzitoarele de aer regenerative sunt folosite n cazul generatoarelor de abur foarte mari i la instala iile de turbine cu gaze sta ionare. Acestea lucreaz la temperaturi mult mai mici dect cele necesare la furnale. Suprafa a de schimb de c ldur este format dintr-un cilindru, rotativ (prenc lzitoare de tip Ljungstrm) sau fix (prenc lzitoare de tip Rothemhle), compartimentat radial. n compartimente este plasat umplutura, format din pachete de tabl ondulat cu grosimea de 0,51 mm. La generatoarele de abur care ard combustibil cu con inut mare de sulf, n partea22

final a prenc lzitorului poate s apar coroziunea produs de acizii sulfuros (H2SO3) i sulfuric (H2SO4). Pentru evitarea coroziunii, n aceast zon se poate folosi o umplutur ceramic sau din sticl . Prenc lzitor rotativ de tip Ljungstrm n construc ie.

3.3 Calculul termic al regeneratoarelor De i fenomenele din schimb toarele de c ldur sunt variabile n timp (nesta ionare), valorile parametrilor oscileaz n jurul unor valori medii. n practic , la calculul termic al regeneratoarelor se folosesc acelea i rela ii ca recuperatoarelor, folosind valorile medii ale parametrilor nomograme care apar n lucr rile de specialitate. i n cazul i introducnd eventual

unele corec ii corespunz toare regimurilor nesta ionare, corec ii care se scot din

3.4 Compara ie ntre recuperatoare

i regeneratoare

23

n compara ie cu recuperatoarele, regeneratoarele ofer n acela i volum o suprafa de schimb de c ldur mai mare, ceea ce face ca construc ia lor s fie mai i c derea de presiune mai mic . Ca urmare evi, iar umplutura poate fi compact , eficien a lor s fie mai bun

ele sunt mai eficiente din punct de vedere economic. Distribuirea fluidului n umplutur este mai simpl dect n fasciculele de optimizat astfel nct c derea de presiune s fie aceea i n toate zonele, iar prin aceasta se evit drumuri preferen iale ale fluidelor. Sp larea alternativ a suprafe ei ajut la cur irea ei i mpiedic colmatarea i coroziunea. La gaze, coeficien ii i de transfer termic gaz-perete sunt mult mai mici dect la lichide, ceea ce necesit suprafe e de schimb de c ldur mai mari. Porozitatea mare a umpluturii gaz. Principalul dezavantaj al regeneratoarelor este faptul c nu se poate evita un oarecare grad de amestec ntre fluide. ntotdeauna fiecare dintre fluide va con ine o mic cantitate din cel lalt fluid. La prenc lzitoarele rotative, partea de fluid care se amestec este cea prins ntre separatoarele radiale, iar la cele cu umplutur fix , volumul de fluid care se afl n umplutur n momentul comut rii fluidelor. De aceea regeneratoarele pot fi folosite doar acolo unde amestecul fluidelor este acceptabil, de exemplu amestecul gazelor de ardere cu aerul. suprafa a de schimb de c ldur mare oferit le fac ideale pentru schimb toarele gaz-

4. Turnuri de r cire

24

Turnurile de r cire ale centralei nucleare Cofrentes (Spania).

n termocentrale sau centralele nucleare, c ldura evacuat n condensator conform ciclului Clausius-Rankine dup care func ioneaz este preluat de apa de r cire a condensatorului. Aceast ap trebuie apoi s fie r cit la rndul ei, n turnuri de r cire. Acestea pot fi fie uscate, caz n care sunt de fapt ni te schimb toare de c ldur foarte mari f r schimbare de faz , fie umede, caz n care c ldura de evacuat este preluat sub form de c ldur latent de vaporizare a unei p r i din ap , prin transfer de c ldur i mas . De regul se folosesc turnuri umede, cele uscate fiind folosite doar n zonele cu deficit de ap . La turnurile umede apa care vine de la condensator este l sat s cad sub form de pic turi deasupra umpluturii, format din plase rezistente la coroziune, care o pulverizeaz , facilitnd evaporarea. Curgerea aerului care preia vaporii forma i poate fi n contracurent, sau n curent ncruci at, realizat prin tiraj natural sau for at. Tirajul natural este realizat de diferen a de densitate dintre aerul din turn, care este mai cald i poate fi considerat saturat cu vapori de ap , deci mai u or. i mici, iar cele cu tiraj natural pentru unit i mari. Ca Tirajul for at este realizat cu ajutorul ventilatoarelor. Turnurile cu tiraj for at sunt mai eficiente pentru unit urmare a complexit obi nuite. ii fenomenelor de transfer de c ldur i mas , turnurile de

r cire sunt considerate un domeniu aparte fa

de schimb toarele de c ldur

25

5.Bibliografie

VDI VDI Heat Atlas, (Transl: J.W. Fullarton), Dsseldorf: VDI-Verlag GmbH, 1993, ISBN 3-18-400915-7 VDI VDI-Wrmeatlas, Dsseldorf: VDI-Verlag GmbH, 1963 Victor Ghia Rcuprateurs et rgnrateurs de chaleur, Bucure ti: Editura Tehnic , Paris: Editions Eyrolles, 1970 Bazil Popa i colab. Manualul inginerului termotehnician (MIT), Bucure ti: an Schimb toare de c ldur Editura Tehnic , 1986 Bazil Popa, Helmuth Theil, Teodor M d r industriale, Bucure ti: Editura Tehnic , 1977 Nicolae D nil - Centrale nucleare electrice, Bucure ti: Editura Academiei RSR, 1973. Corneliu Ungureanu Generatoare de abur pentru instala ii energetice, clasice i nucleare, Bucure ti: Editura Didactic Corneliu Ungureanu i Pedagogic , 1978 .a. Combustibili, instala ii de ardere, cazane, i Pedagogic ,

Timi oara: Editura Politehnica, 2006, ISBN 973-9389-21-0 Nicolae P noiu Cazane de abur, Bucure ti: Editura Didactic 1982 Gavril Cre a Turbine cu abur ISBN 973-31-0965-7 i cu gaze, Bucure ti: Editura Tehnic , 1996,

CAPITOLUL 2 Calculul de dimensionare a schimbatorului de caldura26

S se dimensioneze un schimbator de caldura pentru r cirea uleiului de ungere de la un motor principal de pe o nava, stiind ca racirea se face cu apa de mare, lucrand cu parametri initiali : - Puterea nominala a motorului P ! 9500CP . - Temperatura de intrare a agentului principal t1 ! 850 C - Temperatura de iesire a agentului principal t1' ! 65 0 C - Temperatura de intrare a agentului secundar t 2 ! 210 C - Temperatura de iesire a agentului secundar t 2' ! 29 0 C Caracteristicile fizice ale apei de mare se considera ca cele ale apei dulci, mai putin densitatea V ! 1020kg / m 3 . Suprafata de schimb este data de tevi de alama cu : d i / d e ! 50 / 57 . Schimbatorul de caldura va fi in contracurent cu L ! 0,98 Tevile vor fi asezate in esichier, iar lungimea se vad considera intre 3,5m . Agentii de lucru vor fi : - agentul principal : apa tehnica - agentul secundar : apa de mare 1. Calculul cantitatii de caldura cedata de apa tehnica ( Qced ) :P ! 9500CP 0,735 ! 6982,5 [kW ]Qced ! P 6982,5 3600 ! 3600 ! 698,25 3600 ! 2513700 [kJ / h] 10 10

2. Calculul cantitatii de caldura primita de apa de mare ( Q prim )Qprim ! Qced 2513700 ! ! 2565000 L 0,98 [kJ / h]

3. Masele de agenti vehiculate prin schimbator ( mulei ) :mapaT ! Qced 2513700 ! ! 10738,63 [kg / h] c1 (t1 4,18 56 27

' (t1 ! (t max ! t1 t 2 ! 85 29 ! 56 [ 0 C ]

mapaM !

Q prim c2 ( t 2

!

2565000 ! 13946,28 [kg / h] 4,18 44

(t 2 ! (t min ! t1' t 2 ! 65 21 ! 44 [ 0 C ]

4. Proprietatile fizice a apei tehnice si apei de mare - caldura specifica medie c1 ! 4,18 [kJ /(kg grd )] - conductivitatea termica medie P1 ! 0.648 [W /(m grd )] - vascozitatea cinematic medie v1 ! 5 10 7 [m 2 / s ] - numarul Prandtl la temperatura medie Pr1 ! 3.54 - densitatea medie a apei tehnice : V 1 ! 988kg / m 3 Analog, pentru apa de mare : - caldura specifica medie c 2 ! 4.18 [kJ /(kg grd )] - conductivitatea termica medie P 2 ! 0.665 [W /(m grd )] - vascozitatea cinematica medie v2 ! 4 10 7 [m 2 / s ] - numarul Prandtl la temperatura medie Pr2 ! 2.445 . - densitatea medie a apei: V 2 ! 1020kg / m 3

5. Adoptarea coeficientului global de schimb de caldura ( K ) : Se poate considera intre valorile: 800 z 1200 kJ /(m 2 h grd ) Se va alege: K ! 1000 kJ /( m 2 h grd ) 6. Calculul diferentei medii logaritmice de temperatura ( ( log ):( log ! (t max (t min 56 44 ! ! 50 [ 0 C ] 56 (t max ln ln 44 (t min

Unde (t max , (t min vor fi (t1 sau (t 2 .28

Daca (t1 > (t 2 , atunci (t max = (t1 si (t min = (t 2(t max ! 56 [ 0 C ]

(t min ! 44 [ 0 C ]

7. Calculul suprafetei totale de schimb de caldura ( S ) :S! Q prim K (t log ! 2565000 ! 51,3 [m 2 ] 1000 50

8. Lungimea tevilor ( lt ) : Se alege in functie de gabaritul compartimentlui masinii lt ! 3.5m .

Fig 2.2 Schimbator de caldura 9. Calculul numarului de tevi ( nt ): Se calculeaza intai suprafata de schimb de caldura al unei tevi astfel:S t ! T d e l t ! T 57 10 3 3,5 ! 0,626

29

nt !

S 51,3 ! ! 82 tevi S t 0,626

10. Calculul diametrului Dt pe care se aseaza tevile in eshichier Esichier :E ! 60 0

Se va calcula aria pe care se aseaza tevile necesare:At ! nt t i sin E [ m 2 ]

unde t este pasul dintre doua tevi si se calculeaza cu formula:t ! d e2 (1,22 z 1,37) , de t ! i ! d e (1,22 z 1,37) ! 57 1.37 ! 78,09 [mm]At ! 82 (78,09) 2 sin 60 ! 433047,29 [ m 2 ]

TDt2 Dt ! At ! 4

4 At ! 743 [mm] T

11. Calculul diametrului interior al mantalei schimbatorului ( Di ):Di ! Dt (6 z 8) ! 743 6 ! 749 [mm]

30

12. Calculul suprafetelor de trecere ale purtatorilor de caldura ( w1 , w2 ):S t1 ! T Di2 T d e2 T 749 T 57 2 nt ! 82 ! 0,208 [ m 2 ] (apa tehnica ) 4 4 4 4 T d i2 T 50 2 ! 82 ! 0,160 [ m 2 ] (apa de mare ) 4 4

S t 2 ! nt

13. Calculul vitezelor ale purtatorilor de caldura ( w1 , w2 ): Deoarece uleiul circula printer tevi, iar apa de mare prin tevi, formulele sunt:w1 ! mapaT s t1 .V1 3600 mapaM s t 2 V 2 3600 ! 10738,63 ! 0,014 [ m / s] 0,208 988 3600 ! 13946,28 ! 0.023 [ m / s] 0,160 1020 3600

w2 !

14. Calculul invariatiei criteriului de similitudine (numarul lui Reynolds) ( Re 1 , Re 2 ):Re1 ! Re 2 ! w1 d e 0,014 57 10 3 ! ! 1596 (apa tehnica ) v1 5 10 7 w2 d i 0,023 50 10 3 ! ! 2875 (apa de mare ) v2 4 10 7

15. Calculul coeficientilor de trecere al caldurii (Nusselt) ( Nu1 , Nu 2 ):Nu ! C Re0.6

Pr

0.33

LTi LT f

0.14

Curgerea este laminara Re 2320 LTi LT f 0.14

! 1 pentru eliminarea depunerilor

31

Nu1 ! 0,2 1596 0.6 3,54 0 ,33 1 ! 25,35 Nu 2 ! 0,2 2875 0 ,6 2.45 0.33 1 ! 31,96

16. Calculul coeficientilor de convectie ( E 1 , E 2 ):E 1 ! Nu1 W P1 25,35 0,648 ! 288.18 2 ! 3 de 57 10 m grd W P2 31,96 0,66 ! 421,87 2 ! 3 di 50 10 m grd

E 2 ! Nu 2

Unde P1 , P2 sunt conductivitatile termice ale celor doua fluide. 17. Verificarea alegerii dimensiunilor ( K ' , K t' ) (Recalcularea coeficientului global de caldura)K ! T D 1 1 1 ln t di E2di E 1 d e 2TP ! T 743 1 1 1 ln 3 50 421,87 50 10 3 2T 43 288,18 57 10 !

!

W 3,14 ! 270,68 2 0,0116 m grd

W Unde Potel ! 43 m K W K t' ! 3 K ' ! 3 270,68 ! 812 2 m grd K K t' 100 2% 1000 812 ! 1,88% 1,88% 100 2% dimensionare buna

32