Universitatea Politehnica din Timioara Facultatea de Construcii Secia Instalaii Master Anul I Optimizarea i modernizarea sistemelor de instalaii

REFERATSisteme informaionale n instalaii

Danfoss Heat Exchager Calculation Tool Program de dimensionare a schimbtoarelor cu plci

Prof. ndrumtor: Prof. Cinca Mihai

Student masterand: Ptracu Cornel

-2009-

Cuprins:

1. Introducere.

2. Consideraii teoretice privind calculul de dimensionare al schimbtoarelor cu plci.3. Prezentarea programului de dimensionare a schimbtoarelor de

cldur cu plci.4. Exemple practice de dimensionare a unor schimbtoare cu plci

pentru nclzire i ap cald menajer montate la un punct termic de imobil.

2

Danfoss Heat Exchager Calculation Tool Program de dimensionare a schimbtoarelor cu plci

1. Introducere Programul este un program de dimensionare i alegere schimbtoare de cldur cu plci realizat de ctre firma Danfoss. Pentru dimensionare trebuie introduse datele solicitate: capacitatea schimbtorului, temperaturle solicitate pentru ambele circuite i cderile de presiune acceptate. n urma rulrii programului se determin tipul de schimbtor recomandat pentru datele solicitate i caracteristicile acestuia. Am folosit programul pentru verificarea dimensionrii corecte a schimbtoarelor de cldur din dotarea unor puncte termice de imobil.2. Consideraii teoretice privind calculul de dimensionare al

schimbtoarelor de cldur cu plci.Tipuri constructive de schimbtoare de cldur cu plci. Conceptul de schimbtoare de cldur cu plci datez de la nceputul acestui secol. Aceste schimbtoare au fost propuse iniial penrtu a rspunde necesitilor industriei laptelui, uilizarea lor extinzndu-se apoi n diverse ale ramuri ale industriei: chimie, tehnica nuclear, etc. Concepul nu a fost suficient exploatat pn la Richard Seligman, fondatorul lui APV International Ld, prima firma ce a introdus n 1923 comercializarea schimbtoarelor de caldur cu plci i garnituri. Initial plcile erau din gunmeal, dar n 1930 acestea au nceput s fie confecionate din oel inoxidabil. Primele aparate de acest tip erau limitate din punct de vedere a condiiilor de funcionare la o presiune de 2 bar i o temperatur de aproximativ 60 C. De atunci, schimbtoarele de cldur cu placi i garnituri au rmas practic neschimbate din punct de vedere constructiv i a tehnologiei de fabricae, dar dezvotlrile din ultimii aizeci de ani au condus la ridicarea parametrilor operaionali, presiune i temperatur, la 30 bar i respeciv 180C, prin marea varietae existen la nivelul maerialelor din care pot fi realizate plcile i garniturile de etanare. n ultimii ani noi tehnologii de fabricaie i asamblare a schimbtoarelor3

de caldur cu plci au condus la atingerea unor performane net superioare celor clasice ce utilizeaz ca elemente de etanare garniturile. Exist diferite tehnologii n lume, dintre care unele dezvoltate destul de recent, privind realizarea schimbtoarelor de cdur cu plci. Putem distinge n acest sens dou categorii de astfel de aparate: schimbtoare cu suprafa primar i schimbtoare cu suprafa secundar (figura 1).

Figura 1. Clasificarea schimbtoarelor cu plci. Schimbtoarele cu suprafa primar, pot fi realizate sub forma schimbtorului cu plci i elemente de etanare (garnituri), acesta fiind tipul cel mai raspandit de aparate, cu placi lipite sau sudate. n cazul aparatelor cu suprafa secundar ntre plci este inserat o umplutur metalic care reprezint o suprafa suplimentar (secundar) de transfer de caldur. Schimbtoarele cu plci i garnituri au uitlizarea limitat de presiunea maxim de lucru, precum i de diferena de presiune ntre cele dou fluide. Este posibil de conceput i de construit schimbtoare de caldur cu plci i elemene de etanare pn la o presiune de lucru 25 30 bar i o diferena de presiune de 25 bar. Frecvent nlnit astzi sunt schimbtoarele cu presiune de lucru de ordinul a 6-20 bar. Temperatura maxim de lucru limiteaz deasemenea domeniul de utilizare al aparatului. Aceast temperatur este funcie de maerialul elementelor de etanare i se admite ca o limit superioar uzual, o temperautr de ordinul a 150C, putndu-se atinge, pentru aplicaii speciale i temperaturi de pn la 260C. Suprafaa de schimb de cldur este compus dintr-o serie de plci metalice, prevazute cu garnituri i strnse una lang alta cu ajutorul unor tirani. Se formeaz o serie de canale, unul dintre fluide udnd una dintre feele plcii, iar cellalt fluid cealalt fa (figura 2).

Figura 2. Schimbtor de cldur cu plci i garnituri (schema funcional) Placile sunt realizate prin ambutisare, n general din oel inoxidabil sau titan, dar pot exista plci i din alte metale, sufficient de ductile, cum sunt Haselloy, Incoloy, Monel, Cupronichel. Grosimea plcilor este deobicei de 0,6-0,8 mm i numai foarte rar se depaete 14

mm. O importan mare o are profilul plcii care trebuie s asigure o turbulena important pentru mrirea coeficientului de convecie, dar i o distribuie a fluidelor pe ntreaga suprafa a plcii i puncte de sprijin metal pe metal pentru asigurarea rigiditii mecanice a aparatului. Exist n prezent peste 60 de geometrii diferite de plcii brevetate de diferite firme productoare. n figura 3 sunt prezentate cteva dintre geometriile mai des ntlnite ale plcilor utilizate n construcia schimbtoarelor de cldur cu plci i garnituri.

Figura 3. Tipuri de geometrii ale plcilor din schimbtoarele de caldur cu placi i garnituri. Garniturile sunt lipite n caneluri marginale prevzute n jurul plcii i orificiilor de alimentare, asigurnd eanseitatea aparatului fa de mediul exterior i ntre fluide, asigurnd circulaia alternativ a acestora ntre canale (figura 4).

Figura 4. Modul de aranjare a garniturilor. Materialele cele mai frecvente utilizate sunt prezentate n tabelul 1. Materialul garniturilor, forma acestora, geomeria canelurilor i modul lor de aplicare continu s fie subiectul multor cercetri. n ceea ce privete orificiile de alimenare ale unui schimbtor de caldur cu plci, acestea trebuie dimensionate de aa manier nct pierderile de presiune s fie5

ct mai mici posibile, deoarece pierderi de presiune importante n seciunile de alimentare pot antrena probleme deosebite legate de disribuia n aparat, n special n cazul curgerilor bifazice. Ca ordin de mrime, vitezele n aceste seciuni pot atinge pn la 5 m/s. n schimbtoarele de cldur cu plci exist diferite tipuri de circulaie ale agenilor de lucru. Tabelul 1. Materiale pentru garnituri.

Variantele cele mai des ntlnite sunt prezentate n figura 5. Circulaie cu o singur trecere pe ambele fluide

Montaj n Z cu racorduri (intrare-ieire) la ambele extremiti Montaj n U cu racordurile la o singur extremitate

Circulaie cu mai multe treceri, n numr egal pe ambele fluide

Circulaie cu mai multe treceri, cu numr diferit pe fiecare fluid

Figura 5. Tipuri de circulaii posibile n schimbtoarele de caldur cu plci. Schimbtoarele de cldur cu plci lipite sau sudate, dezvoltate n ultimii ani, permit o utilizare a suprafeei de schimb de cldur la nivele de presiuni i temperaturi mai mari ca la schimbtoarele prezentate anterior, datorit absenei elementelor de etanare, n astfel de6

aparate se pot atinge presiuni de 40 - 50 bar i temperaturi de 450 - 500 C. Schimbatoarele de cldur cu plci sudate sau lipite reprezint o variant a schimbtoarelor cu plci i garnituri, deoarece suprafaa de schimb de cldur este constituit dintr-o serie de plci metalice cu caneluri nclinate, dar ele nu posed nici elemente de etanare, nici tirani de strngere (figura 6). Etaneitatea este asigurat prin sudur n jurul fiecrei plci. Canalele formate ntre plci sunt dispuse n aa fel ca cele dou fluide s circule alernativ n cureni paraleli. Compactitatea i grosimea redus a plcilor permit ca aceste aparate, foarte uoare s fie montate direct pe tubulatura de racordare a schimbtorului, fr suport metalic sau fundaie.

Figura 6. Schimbtor de cldur cu plci sudate: a) vedere de ansamblu; b) sectiune. Dimensiuni i parametrii geometrici ai schimbtoarelor de cldur. Principalii parametri geometrici ai schimbtoarelor de cldur cu plci sunt (figura 2.7 i figura 2.8): - unghiul de ondulare format ntre direcia principal de curgere i direcia de ondulare (=90 pentru plci cu caneluri drepte, >H0) (1.)

unde: Sc - este seciunea de curgere a canalului, n m2; P - perimetrul udat, perpendicular pe direcia principal de curgere, n m.

Figura 2.8. Parametri geometrici ai unui canal ondulat, = 90 Performane termohidraulice ale schimbtoarelor de cldur cu plci. Regimuri i configuraii de curgere. Configuraia curgerii ntr-un canal ondulat este influenat n principal de crieriul Reynolds, unghiul de ondulare i pasul adimensional p=p/H0. n figura 9 este prezentat o sintez a regimurilor de curgere ce pot apare ntr-un canal ondulat cu =90.

Figura 9. Configuraia curgerii funcie de numarul Reynolds ntr-un canal ondulat (=90).8

ntr-un canal ondulat cu =90, curgerea este de natur tridimensional iar tranziia regimului de curgere este caracerizat i de apariia unor fenomene locale nesaionare. Numrul Reynolds de tranziie (ReT) spre curgerea turbulent depinde de unghiul de ondulare i de pasul adimensional (figura 10). Se observ c regimul turbulent apare la numere Re mai mici n cazul geometriilor dure ( ridicat). S-a evideniat deasemenea o influen important a pasului adimensional asupra numrului Reynolds de tranziie ntre diferitele regimuri de curgere.

Figura 10. Numrul Reynolds de tranziie funcie de unghiul de ondulare. Pierderile de presiune. Principalele pierderi de presiune care apar la curgerea unui fluid printr-un schimbtor de cldur cu plci sunt pierderile de presiune din canale i pierderile de presiune din seciunile de intrare respeciv ieire din aparat. n general, deoarece dimensiunile seciunilor de alimentare i evacuare sunt importante, aceste pierderi de presiune sunt neglijabile n raport cu cele dintre plci. Pierderile de presiune printr-un canal (P) ntre colectoarele de intrare i ieire, depind de mai multi parameri, cum ar fi: densitatea, vascozitatea, viteza fluidului i geometria plcii. Ele se pot calcula cu relaia:p = 4 f

w2 L 2 dh

[Pa]

(2.)

unde: - este densitatea fluidului, n kg/m3; w - viteza fluidului, n m/s; l - coeficientul de frecare; L, dh - lungimea, respectiv diametrul hydraulic al canalului, n m. Coeficienul de frecare f este funcie att de valoarea numrului Reynolds ct i de unghiul de ondulare al plcii i pasului adimensional p*=p/H0, exprimndu-se printr-o relaie de forma:f = a Re b

(3.)

Transferul de cldur. Coeficienul de schimb de caldur , la curgerea printr-un canal ondulat, pentru un fluid aflat n curgere monofazic, se exprim analitic prin legtura dintre numarul lui Nussel cu cele ale lui Reynolds i Prandl, plus un termen de corecie ce ine cont de variaia proprieilor fizice ale fluidului cu temperaura n stratul limit:Nu = a Re Prb 0 , 33

Pr Pr p

0 , 25

=

dh

(4.)9

unde: Pr, Prp Prandtl la temperatura fluidului, respectiv a peretelui. Valorile constantelor a i b sunt funcie de unghiul de ondulare al placii i de pasul adimensional p*=p/H0. Particularitile calcului termic pentru schimbtoarele de cldur cu plci. Particularitile calculului termic n cazul schimbtoarelor de cldur cu plci sunt legate de geometria canalului i de faptul c odat cu mrirea numrului de plci pentru mrirea suprafeei de schimb de cldur, viteza agenilor termici scade. Pentru exemplificare, n figura 11 se prezint un calcul de proiectare pentru un schimbtor de cldur monofazic cu o singur trecere pe ambele fluide. Calculul este iterativ, pornindu-se cu o singur pereche de canale i calculndu-se fluxul termic transmis n aparat Qr. Dac acesta este inferior fluxului termic impus prin datele de intrare, se mrete numrul de perechi de canale.

10

11

3. Prezentarea programului de dimensionare a schimbtoarelor de

cldur cu plci.n figura 12 este prezentat fereastra principal a programului.

Figura 12. Fereastra principal a programului de dimensionare schimbtoare de cldur cu plci. Programul are dou meniuri: 1. Meniul Calculations prin intermediul cruia se pot realiza urmtoarele: Se introduc datele necesare pentru calculul schimbtorului de cldur cu plci dup cum urmeaz: - tipul de schimbtor cu plci: cu garnituri sau brazat (sudat); - domeniul de utilizare a schimbtorului: pentru nclzire sau pentru rcire; - unitatea de msur a debitelor calculate: m3/h sau l/s; valoarea afiat a debitului fiind cea calculat pentru circuitul secundar al schimbtorului (could side); - tipul de schimbtor de cldur - se poate lsa Auto situaie n care programul dup calcul i alege n mod automat un tip de schimbtor de cldur din biblioteca programului (precizm c sunt introduse numai schimbtoarele produse de Danfoss) sau se poate introduce direct un tip de schimbtor de cldur, situaie necesar dac se dorete calcularea unui anumit tip de schimbtor de exemplu cu o anumit suprafa a plcilor, i de anumite dimensiuni cerut; - numrul de treceri (passes) se pot alege schimbtoare cu una sau dou treceri; - temperaturile de calcul necesare pentru ambele circuite: circuit primar (hot side) i circuit secundar (cold side); - cderile de presiune admise pentru ambele circuite; - fluidul de lucru pentru ambele circuite care poate fi: ap, glicol, etanol, agent de rcire n diferite concentraii ce pot fi selectate (figura 13);12

Figura 13. Alegerea concentraiei fluidului de lucru.

Exist de asemenea posibilitatea schimbrii limbii de afiare a datelor putndu-se alege dintru-un numr de 19 limbi. Dup introducerea datelor prin acionarea butonului Search programul calculeaz parametrii de lucru al schimbtorului i tipul de schimbtor ales, date ce sunt afiate n partea dreapt a ferestrei de lucru. n cazul n care se dorete un alt tip de schimbtor se poate alege din fereastra Calculated types tipul dorit refcndu-se toate calculele. Exist de asemenea posibilitatea simulrii unui alt tip de schimbtor de cldur cu plci prin activarea butonului Simulate, n acest situaie aprnd fereastra din figura 14. n fereastra se simulare se pot modifica parametrii schimbtoarele alese pentru a se reface calculele i a se simula schimbtorul dorit. Datele alese pot fi transferate n fereastra principal prin activarea butonului Transfer data. Exist patru posibiliti de simulare: 1. Se seteaz valorile parametrilor necesari pentru circuitul rece (secundar), simulndu-se valorile paramerilor pentru circuitul cald (primar). 2. Se seteaz valorile parametrilor necesari pentru circuitul cald (primar), simulnduse valorile paramerilor pentru circuitul rece (secundar). 3. Se seteaz temperaturile de intrare simulndu-se temperaturile de ieire. 4. Se seteaz condiiile de funcionare de iarn, simulndu-se condiiile de simulare de var (n cazul schimbtoarelor de cldur pentru ap cald de consum).

Figura 14. Fereastra de simulare.

13

2. Meniul Print Out este folosit pentru listarea parametrilor scimbtorului calculat, acesta putndu-se realiza n dou moduri: prin activarea butonului Print sau prin afiarea ntr-o foie de lucru n Excel a datelor calculate.

Figura 15. Fereastra de afiare a meniului Print Out.4. Exemple practice de dimensionare a unor schimbtoare cu plci

pentru nclzire i ap cald menajer montate la un punct termic de imobil.Datele introduse sunt corespunztoare dimensionrii unui schimbtor de cldur cu plci pentru nclzire utilizat ntr-un punct termic ce alimenteaz un imobil P+9 cu trei scri i un numr de 120 de apartamente cu o suprafa total util de 5.946,4 mp. inndu-se cont de acestea s-a determinat un necesar de cldur pentru imobilul respectiv de 580 Mcal/h. S-au impus de asemenea temperaturi reduse de funcionare pe circuitul primar inndu-se cont de caracteristicile de funcionare ale reelei primare din ora de 90-56C. Referitor la pierderile de presiune prin tema de proiectare s-a impus ca acestea s aib valoarea de maxim 10,0 kPa pe ambele circuite. n urma rulrii programului de dimensionare au rezultat caracteristicile necesare pentru schimbtorul de cldur cu plci prezentate n fia de dimensionare ce urmeaz, fi care a fost printat din program prin intermediul meniului Print Out ca fiier Excel.Heat exchanger type Danfoss Code XG 31H-1 140 004B1402

PED-Category

:

II

14

Capacity Flowrate Temperature in Temperature out Real temperature T12 LMTD Pressure drop Velocity in connections Velocity in channels PHYSICAL DIMENSIONS Number / elem Water volume Max. working pressure Max. working temperature Oversurfacing All heatsurface Total weight PHYSICAL PROPERTIES Hot Side flow media Cold Side flow media Heat capacity Density Viscosity Thermal conductivity Re EXTERNAL DIMENSIONS A - 518 B - 360 C - 150

[Mcal/h] [m3/h] [C] [C] [C] [C] [kPa] [m/s] [m/s] : [l] [bar] [C] [%] [m2] [kg]

580,0 Hot side Cold side 16,376 29,506 90,0 50,0 56,0 70,0 53,7 9,7 2,9 8,9 1,2 0,119 69 25,53 16 150 62,79 19,48 290,0 Water Water 2,1 0,212 70 25,90 16 150

[kJ/kgK] [kg/m3] [mNs/m2] [W/mK]

4,191 976,7 0,400 0,665

4,184 983,3 0,461 0,654

1154 1788 [mm] D - 665 E - 205 F - 965 Lmax - 1600 Plates: Material: Steel EN 1.4404 (AISI 316 L) Connections: Material: Steel EN 1.4301 (AISI 304) Flange: Primary DN 65, PN 40, DIN 2635 Flange: Secondary DN 65, PN 40, DIN 2635 T11 Hot side in T12 Hot side out T21 Cold side in T22 Cold side out

Din compararea datelor rezultate pentru schimbtorul de cldur cu plci necesar cu datele schimbtorului de cldur livrat n componena punctului termic de imobil rezult c acesta respect cerinele i este corect dimensionat. O alt facilitate a programului de dimensionare a schimbtoarelor cu plci este posibilitatea de a realiza simulare prin intermediul creia s se aleag un alt tip de schimbtor de cldur compatibil dup cum am prezentat n capitolul anterior, n aa fel nct s se poat alege varianta optim de schimbtor att din punctul de vedere al funcionrii ct i din punctul de vedere al costului.

15

n cazul n care din diferite motive se dorete un alt tip de schimbtor diferit de tipul ales de program exist posibilitatea s se aleag dintr-un tabel un alt tip de schimbtor. n acest caz s-a ales un schimbtor mai mare fia de dimensionare fiind prezentat n continuare.Heat exchanger type Danfoss Code XG 40-1 60 004B1046

PED-Category Capacity Flowrate Temperature in Temperature out Real temperature T12 LMTD Pressure drop Velocity in connections Velocity in channels PHYSICAL DIMENSIONS Number / elem Water volume Max. working pressure Max. working temperature Oversurfacing All heatsurface Total weight PHYSICAL PROPERTIES Hot Side flow media Cold Side flow media Heat capacity Density Viscosity Thermal conductivity Re EXTERNAL DIMENSIONS A - 255 B - 540 C - 240

: [Mcal/h] [m3/h] [C] [C] [C] [C] [kPa] [m/s] [m/s] : [l] [bar] [C] [%] [m2] [kg]

II 580,0 Hot side Cold side 16,924 29,506 90,0 50,0 56,0 70,0 54,9 10,7 3,1 8,0 0,5 0,108 29 39,73 16 150 20,00 16,58 682,0 Water Water 0,6 0,182 30 41,10 16 150

[kJ/kgK] [kg/m3] [mNs/m2] [W/mK]

4,191 976,4 0,397 0,665

4,184 983,3 0,461 0,654

1754 2563 [mm] D - 856 E - 242 F - 1218 Lmax - 2500 Plates: Material: Steel EN 1.4404 (AISI 316 L) Connections: Material: Steel EN 1.4301 (AISI 304) Primary DN 100 and Secondary DN 125 T11 Hot side in T12 Hot side out T21 Cold side in T22 Cold side out

Exist de asemenea posibilitate ca pentru aceleai caracteristici de funcionare s se poat alege de exemplu un schimbtor de cldur brazat n locul unui schimbtor de cldur16

cu garnituri, ceeace duce la scderea preului de achiziie a acestuia de pn la dou ori. Pentru caracteristicile de mai sus se prezint i fia de dimensionare a unui schimbtor brazat.Heat exchanger type Danfoss Code XB 70L-1 70 004B2435

PED-Category Capacity Flowrate Temperature in Temperature out Real temperature T12 LMTD Pressure drop Velocity in connections Velocity in channels PHYSICAL DIMENSIONS Number / elem Water volume Max. working pressure Max. working temperature Oversurfacing All heatsurface Total weight PHYSICAL PROPERTIES Hot Side flow media Cold Side flow media Heat capacity Density Viscosity Thermal conductivity Re EXTERNAL DIMENSIONS E - 199 G - 1130 H - 365

: [Mcal/h] [m3/h] [C] [C] [C] [C] [kPa] [m/s] [m/s] : [l] [bar] [C] [%] [m2] [kg]

II 580,0 Hot side Cold side 16,277 29,506 90,0 50,0 56,0 70,0 53,5 9,5 7,1 10,0 1,2 0,158 34 18,70 25 180 59,09 17,42 145,0 Water Water 0,9 0,279 35 24,50 25 180

[kJ/kgK] [kg/m3] [mNs/m2] [W/mK] [mm] J - 259

4,191 976,8 0,400 0,664 1515

4,184 983,3 0,461 0,654 2330

Plates: Material: Steel EN 1.4404 (AISI 316 L) Connections: Material: Steel EN 1.4301 (AISI 304) Flange: Primary DN 65, PN 40, DIN 2635 Flange: Secondary DN 100, PN 16, DIN 2633 T11 Hot side in T12 Hot side out T21 Cold side in T22 Cold side out

Accessories

17

Condiiile de utilizare a schimbtoarelor cu garnituri sau a celor brazate depind de calitatea apei i de condiiile de utilizare.

Bibliografie. 1. H. Necula, A. Badea, C. Ionescu Schimbtoare de cldur compacte Editura Agir, Bucureti 2006 2. www.incalzire.danfoss.com

18