3. SCHIMBATOARE DE CALDUR

3.1 CLASIFICRI, TIPURI I DATE CONSTRUCTIVE

Schimbtoarele de cldur sunt aparate (utilaje) n care se realizeaz procese (operaii) de transfer de cdur ntre dou fluide. 3.1.1. CLASIFICRI Clasificarea schimbtoarelor de cldur se poate face din mai multe puncte de vedere, dintre care trei sunt mai importante: - clasificarea dup procesul principal de transfer de cldur; - clasificarea dup modul de contactare a fluidelor; - clasificare dup tipul constructiv al aparatului I.Dup procesul principal de transfer de cldur, se deosebesc numeroase clase de aparate, ca de exemplu: prenclzitoare, rcitoare, condensatoare, rcitoare-condensatoare, refierbtoare, vaporizatoare, cristalizatoare, regeneratoare ( schimbtoare de cldur propriu-zise) etc II.Dup modul de contactare a fluidelor, se deosebesc trei clase de aparate: schimbtoare de cldur de suprafa, schimbtoare de cldur prin contact direct ( de amestec) i schimbtoare de cldur cu fluid intermediar staionar Schimbtoarele de cldur de suprafa se caracterizeaz prin faptul c cele dou fluide care schimb cldur ntre ele sunt separate prin perei metalici, n majoritatea cazurilor cilindrici (tuburi). Aceste schimbtoare de cldur prin contact direct nu conin perei despritori i cum fluidele vin n contact nemijlocit,transferul de cldur este nsoit i de un proces de transfer de mas. Schimbtoarele de cdur cu fluid intermediar staionar sunt de concepie mai recent, se utilizeaz n cazuri practice caracteristice i prezint unele avantaje specifice. Ele se caracterizeaz prin faptul c transferul de cldur de la fluidul cald ctre fluidul rece, care sunt n curgere continu prin schimbtor, este mijlocit de un fluid intermediar staionat n aparat. III. Dup tipul constructiv al aparatului se deosebesc numeroase clase de schimbtoare, principalele tipuri fiind prezentate n cele ce urmeaz, cu excepia schimbtoarelor de cldur cu fascicul tubular n manta care, fiind cele mai utilizate, se trateaz pe larg ntr-un paragraf special. Schimbtoarele tub n tub (fig.1.) constau n dou tuburi concentrice, un fluid circulnd prin tubul interior, iar cellalt fluid prin spaiul inelar (inertubular).

1

Aceste schimbtoare prezint avantajul de a lucra n contracurent, dar sunt voluminoase i grele, n raport cu aria de transfer. Rcitoarele i condensatoarele cu serpentin scufundat (fig.2.) constau ntr-o cad prevzut cu deversor, prin care circul apa de rcire i n care se afl scufundat serpentina prin care curge fluidul cald.

Rcitoarele i condensatoarele cu serpentin stropit cu ap constau n cteva serpentine plasate vertical, peste care curge apa de rcire dispersat n picturi2

Schimbtoarele de cldur cu plci lucreaz cu presiuni relativ mici pentru ambele fluide i au nceput s fie utilizate i n industria petrochimic, ele fiind uoare i cu gabarit mic n raport cu aria de transfer. Constau n plac profilate, din metal, suprapuse i presate pentru etanare. La extremitile plcilor sunt delimitate canalele de legtur pentru fluide, acestea circulnd prin spaiile libere dintre plci (fig.3.).

Rcitoarele i condensatoarele cu aer ( fac obiectul unui paragraf separat) constau ntr-un fascicul de tuburi prevzute la exterior cu aripioare transversale circulare, peste care circul mpins de ventilatoare aerul atmosferic Rcitoarele i condensatoarele prin contact direct ( fac obiectul unui paragraf separat) constau n coloane de contractare n contracurent, cu sau fr umplutur, pentru dou fluide nemiscibile (gaz-lichid sau lichid-lichid). Schimbtoarele din fig.5 i 6 funcioneaz cu dou pasuri n tuburi ( iniial curgere de la stnga la dreapta i apoi de la dreapta spre stnga; n raport cu cazul unui singur pas, seciunea de curgere s-a redus la jumtate, iar viteza s-a dublat), iar din fig.7. cu patru pasuri n tuburi. Pentru majorarea vitezei fluidului din manta, pot fi utilizate icane longitudinale. n fig.7. prin prezena unei astfel de icane, se realizeaz dou pasuri n manta. Se constat la acest schimbtor, cu 2 pasuri n manta i 4 pasuri n tuburi, c global fluidele circul n sens invers ( unul de jos n sus i cellalt de sus n jos) n majoritatea cazurilor practice, n manta se utilizeaz icane transversale segment de cerc (fig.5 i 6) , care duc n general la o curgere transversal pe tuburi ( seciunea de curgere este variabil; apar turbulene ce mbuntesc transferul de cldur; prin fixarea distanei dintre icane, se realizeaz viteza medie dorit pentru fluidul din manta). n fig.8 sunt schiate i alte tipuri de icane transvesale, foarte rar utilizate ( icane inel i disc i icane benzi laterale- band central). Obinuit icanele segment de cerc las ferestre orizontale, alternativ sus i jos. La condensatoare i la schimbtoarele cu dou pasuri n manta se utilizeaz ferestre verticale. icanele transversale sunt solidarizate cu o plac tubular, prin intermediul unro tije i distaniere (fig.5.). La intrarea fluidului n manta este prevzut o plac reflectoare (fig.5.), care reduce ocurile asupra tuburilor. Ulteruior se vor discuta i alte aspecte referitoare la icanele transversale segment de cerc, precum i necesitile unor icane (benzi) oriziontalr de etanare.3

n unele cazuri se utilizeaz n msnts de curgere scindat (fig.9.a. n special la vaporizatoare) sau o curgere divizat (fig.9b.); printre dou icane alturate circul jumtate din debitul de fluid).

4

Pentru a nu se solicita mandrinarea i pentru a se evitaq apariia neetaneitilor, trebuie s se asigure o dilatare ( contractare) liber a tuburilor n raport cu mantaua schimbtorului. Aceast problem este rezolvat n special prin utilizarea schimbtoarelor cu cap flotant (mobil) sau a schimbtoarelor cu tuburi U. n figura 5 este prezentat un schimbtor de cldur cu cap flotant. Placa tubular mic are un diametru mai redus dect diametru interior al mantalei i dup demontarea capului mic ( acesta este fixat prin intermediul unui inel), fascicului poate fi extras cu ambele plci tubulare. n unee cazuri, pentru a alunecare mai uoar, icanele inferioare se sprijin pe nite role. Obinuit, schimbtoarele cu cap mobil au un numr par de pasuri de tuburi dac este necesar s se lucreze cu un singur pas de tuburi, capacul mic este prevzut cu un racord axial, care iese prin capacul mare printr-o presetup. n fig.6 este prezentat un schimbtor de cldur cu tuburi U. aceste schimbtoare pot avea n tuburi numai un numr par de pasuri. Mai puin utilizate, pentru preluarea dilatrilor inegale, sunt schimbtoarele cu compresor de dilataie la manta, cele cu o plac tubular flotant, care asigur etanarea pe un sistem de garnituri i cele cu evi duble concentrice (fluidul circul ntr-un sens prin tuburi de diametru mic, care nu constituie o suprafa de transfer de cldur, i n sens invers prin spaiul intertubular, tuburile de diametru mare fiind nchise la captul liber; camerele de distribuie se afl de aceeai parte).

3.2. DIFERENA MEDIE DE TEMPERATURFluxul termic schimbat ntr-un aparat de schimb de cldur,ntrre cele dou fluide de lucru, se exprim prin legea lui Newton scris cu coeficientul global de transfer de cldur dintre cele dou fluide: Q=keAet t din aceast relaie reprezint diferena de temperatur dintre cele dou fluide i cum n general temperaturile celor dou fluide sunt variabile n lungul schimbtorului, deci i diferena lor este variabil, t trebuie s fie o diferen medie de temperatur.

3.2.1. SCHIMBTORUL DE CLDUR N CONTRACURENT5

n fig.10 este prezentat un schimbtor de cldur tub n tub cu ciculaie a fluidelor n contracurent, circulnd de la dreapta spre stnga, se rcete, iar fluidul rece, circulnd de la stnga la dreapta, se nclzete. Se utilizeaz urmtorii indicatori: c- fluid cald, r- fluid rece, 1- intrare i 2ieire. Sub schimbtor este redat n principiu diagrama de variaie a temperaturilor celor dou fluide n lungul schimbtorului (n realitate variaiile nu sunt liniare) se constat c diferenele de temperatur dintre cele dou fluide este variabil n lungul schimbtorului, ea fiind maxim (tM) la un capt al schimbtorului i minim (tm) la cellalt capt. tM poate fi ntlnit uneori la captul rece.

Simplist, s-ar putea considera c diferena medie de temperatur este egal cu diferena dintre temperatura medie a fluidului cald i temperatura medie a fluidului rece, care este totuna cu media aritmetic a diferenelor extreme de temperatur: t = (tc1+ tc2)/2 ( tr1+ tr2)/2 ={ (tc1- tr2)+ (tc2- tr1)}/2 = (tM +tm)/2 Aa cum se va demonstra n continuare, diferena medie de temperatur este media logaritmic a diferenelor extreme de temperatur, acestea fiind ntotdeauna mai mic dect media aritmetic. Neglijndu-se pierderile de clduc ale fluidelor ctre mediul ambiant i notndu-se cu m debitele masice i cu cp cldurile specifice izobare ale fluidelor, fluxul termic schimbat poate fi exprimat prin legea lui Newton i prin relaia calorimetric aplicat celor dou fluide: Q = keAet = mcCpc(tc1 tc2) = mrCpr(tr1 tr2)

6

3.2.2. SCHIMBUL DE CLDUR N ECHICURENT La schimbul de cldur n echicurent fluidele intr n aparat la acelai capt i circul n acelai sens, fluidul cald rcindu-se iar fluidul rece nclzindu-se. La echicurent, ntotdeuna tM corespunde captului de intrare a fluidelor, iar tm captului de ieire. Analiza diferenei medii de temperatur dintre fluide, la schimbul dee cldur n echicurent, se face asemntor ca la contracurent i se ajunge la aceeai concluzie: diferena medie de temperatur este egal cu media logaritmic a diferenelor de temperatur de la capetele schimbtorului . Diferena minim de temperatur dintre fluide, indiferent de sensurile de curgere a fluidelor, este obinuit >15oC, cu excepia aparatelor de schimb de cldur din instalaiile frigorifice, n care tm poate cobor pn la 5oC i a schimbtoarelor de cldur prin contact direct ntre fluide, n care tm poate cobor pn la 1oC Dac unul dintre fluide are n schimbtor o temperatur constant (schimb de cldur izotermic, prin vaporizarea unui lichid pur sau prin condensarea unor vapori puri), diferena medie de temperatur este aceeai, indiferent dac schimbul de cldur se realizeaz n contracurent sau echicurent (acest lucru este general valabil; se poate extinde i la curent mixt sau curent ncruciat i se ine seama de el n practic), tM i tm avnd corespunztor aceleai valori. n figura 12 este reprezentat schematic un schimb de cldur n echicurent a i un schimb de cldur n contracurent b pentru aceeai temperaturi (oC) de intrare i de ieire a fluidelor.

Pentru aceleai temperaturi, ntotdeuna diferena medie de temperatur pentru contracurent este mai mare dect cea corespunztoare echicurentului, pentru c raportul tM / tm are valori mai mici la contracurent. Pentru valorile numerice din figur, rezult: -contracurent tM / tm = 1,5; t = 246,6 oC. -echicurent tM / tm = 4; t = 216,6 oC. Faptul c diferena medie de temperatur este mai mare la schimbul de cldur n contracurent, dect la schimbul de cldur n echicurent, constituie primul i principalul avantaj al7

contracurentului. Din legea lui Newton a schimbului global de cldur, se poate abserva c, pentru un flix termic dat dac t este mai mare suprafaa de schimb de cldur necesar este mai mic (consum mai mic de metal pentru realizarea schimbtorului i consum mai mic de nergie pentru pomparea fluidelor, cderile de presiune fiind reduse; Ae = Q/ket Schimbul de cldur n contracurent, n raport cu cel n echicurent, prezint i un al doilea avantaj interesant din punct de vedere practic. Cu toate c prezint dezavantajele amintite, schimbul de cldur n echicurent este ntlnit uneori n practic i anume atunci cnd se urmrete o temperatur maxim a tuburilor mai redus (rezistena mecanic mai mare i dilatarea mai mic) sau eventual a temperatur minimmai ridicat. Pentru exemplificare, pe baza temperaturilor din fig.12, admindu-se pentru simplificare rezistenele termice pentru cele dou fluide egale (temperatura local a peretelui tubului este egal cu media aritmetic a temperaturilor fluidelor) se poate constata urmtoarele: -echicurent stnga tp = 300 oC. dreapta tp = 300 oC. -contracurent stnga tp = 200 oC. dreapta tp = 350 oC. Temperatura peretelui tubului (tp) are deci valoarea mexim pentru echicurent 300 oC iar pentru contracurent 350 oC .Temperatura maxim a tubului poate fi ntlnit la echicurent fie la captul de intrare a fluidelor, fie la cel de ieire

3.2.3.SCHIMBUL DE CDUR N CURENT MIXT Marea majotitate a schimbtoarelor de cldur utilizate n industrie sunt aparate cu un singur pas n manta ( majoritatea transferului de cldur n manta se realizeaz prin introducerea de inane transversale) i cu dou sau patru pasuri (treceri) n tuburi. Foarte rar pot fi ntlnite aparate cu dou pasuri n manta i patru pasuri n tuburi, n acest cazrealizndu-se global contracurent (un fluid circul de sus n jos, iar cellalt de jos n sus). Dac numrul de pasuri n manta este egal cu numrul de pasuri n tuburi, de exemplu, 2-2, atunci se realizeaz contracurent pur. n fig.13 sunt prezentate cteva scheme de schimb de cldur n curent mixt. Metoda recomandat n literatur, pentru stabilirea diferenei medii de temperatur dintre fluide , la schimbul de cldur n curent mixt, const n calcularea diferenei medii de temperatur corespunztoare contracurentului i corectarea acesteia cu un factor de corecie specific : t = Ftcontr.

8

Factorul de corecie se citete din diagrama corespunztoare tipului de curent mixt, n funcie de urmtorii parametri: P = (tr2 tr1 )/ (tc1 tr1 ) i R =(tc1 tc2 )/ (tr1 tr1 ) n care : P are valori cuprinse ntre 0 i 1, R valori sub i supraunitare, iar F 1. n fig.14 este redat principala diagonal a factorului de corecie pentru diferene medie de temperatur, diagrama corespunztoare schimbtoarelor 1-2 (4).

3.2.4.SCHIMBUL DE CLDUR N CURENT NCRUCIAT n unele aparate sau sisteme de transfer de cldur practice ( secia de convecie a unui cuptor, rcire cu aer, prenclzitoare cu aer etc.) se ntlnesc schimburi de cldur n curent ncruciat simplu sau n contracurent ncruciat (fig.16)

9

Schema a reprezint un schimb de cldur n curent ncruciat simplu. Un fluid circul de la stnga la dreapta, n paralel prin toate tuburile unui fascicul, iar cellalt fluid circul ascendent printre tuburile fascicului. ntotdeuna, fluidul care circul transversal pe un fascicul de tuburi sufer o amestecare, cauzat de turbulena ce se produce. Schema b reprezinta un schimb de cldur n contracurent ncruciat un fluid circul ascendent prin interiorul tuburilor iar cellalt fluid circul descendent, transversal pe fasciculul de tuburi i pe dou pasuri. Schema c reprezint tot un schimb de cldur n contracurent ncruciat. Un fluid circul ascendent peste trei iruri orizontale de tuburi, iar cellalt fluid circul prin interiorul tuburilor, descendent de la un ir la altul. Circulaia fluidului din tuburi n plan orizontal (ntr-un ir de tuburi) n ambele sensuri nu are influien asupra diferenei medii de temperatur importante sunt cele trei iruri de tuburi, care reprezint ncruciri la niveluri de temperatur diferite ale fluidului exterior. n astfel de cazuri, numrul de ncruciri este egal cu numrul de iruri de tuburi Dac, spre exemplu, un rcitor cu aer este prevzut cu 6 iruri de tuburi fluidul interior circulnd n paralel prin tuburile de pe dou iruri, se realizeaz global 3 ncruciari La un schimbtor de cldur n contracurent (cu un pas n manta i un pas n tuburi), prevzut n manta cu icane transversale, neglijndu-se curgerile orizontale n raport cu cele transversale, se poate considera c schembul de cldur se realizeaz n contracurent ncruciat, numrul de ncruciri fiind egal cu numrul de icane plus unu. La schimbul de cldur n curent ncruciat, diferena medie de temperatur dintre fluide se poate calcula cu relaia ntlnit la curentul mixt: t = Ftcontr. n care F este funcie de parametrii P i R definii anterior. Pentru un numr mai mare de ncruciari, se recomand relaia: FN = F11lN n care F1 se refer la curent ncruciat simplu, iar N reprezint numrul de ncruciari (F crete, cu creterea lui N ).10

3.3.TEMPERATURI CALORICE SI REZISTENELE TERMICE ALE DEPUNERILOR3.3.1. COEFICIENII GLOBALI DE TRANSFER DE CLDUR PRACTICI La scgimbtoarel de cldur aflate n exploatare, coeficienii globali de transfer de cdur, cu care lucreaz practic schimbtoarele, pot fi stabilii cu ajutorul legii lui Newton: Ked = Q/Aet Valorile Ked sunt mai mici dect valorile stabilite cu relaia dedus n capitolul Procese de transfer de cldur (coeficientul global de transfer de cldur ntre dou fluide separate de un perete cilindric, exprimat pe unitatea de arie exterioar): Ke = 1/ [de/IdI + de/2 ln de/dI + 1/e] n care: este coeficientul parial de transfer de cldur pentru fluidul din interiorul tuburilor, e pentru fluidul din exteriorul tuburilor (din manta), iar conductivitatea termic a peretelui tubului.

3.3.2. REZISTENELE TERMICE SPECIFICE ALE DEPUNERILOR straturile de depuneri, care se formeaz pe suprafaa tuburilor din schimbtoarele de cldur, produc urmtoarele efecte nedorite: -scade coeficientul global de transfer de cldur, depunerile avnd n general conductiviti termice mici, deci scade fluxul termic schimbat; -se modific rugozitatea la suprafaa tuburilor, n majoritatea cazurilor crescnd i deci majorndu-se coeficientul de frecare (cderea de presiune); -crete viteza fluidului, din cauza reducerii seciunii, i deci crete cderea de presiune. Depunerile de pe tuburile schimbtoarelor sunt datotate urmtoarelor cauze: -existena n fluide a unor suspensii de particule solide ( praf de catalizator, produse de coroziune, particule de cocs, ml sau nisip n ap sau iei insuficient decantate); -existena n fluide a unor substane dizolvate care, la creterea temperaturii la scderea temperaturii sau vaporizare, duc la depuneri (trecerea biocarbonailor de Ca i Mg din ap n sruri insolubile, la creterea temperaturii; precipitarea unor sruri, la scderea temperaturii sau la vaporizare; depunerea de parafin prin rcire; cocsarea pe suprafeele foarte calde; -existena n fluide a unor substane care polimerizeaz ca de expemplu, n cazul produselor de cracare; -corodarea tuburilor de ctre unele fluide, cu apariia unor straturi complexe cu rezisten termic mare; -dezvoltarea n schimbtoare a unor straturi biologice, formate de microorganisme. Factorii care influieneaz formarea depunerilor i deci rezistena termic a acestora sunt:11

-natura fluidului i compoziia depunerii formate; -temperatura fluidului i temperatura peretelui tubului ( la nclzirea apei sau ieiului, depunerile cresc cu creterea temperaturii); -materialul din care sunt confecionate tuburile i rugozitatea suprafeei acestora (depunerile se formeaz mai uor pe suprafeele rugoase); -viteza de circulaie a fluidului (la viteze mici sunt mai mari); -durata de funcionare a schimbtorului de la ultima sa curire (mecanic sau chimic). Evitarea sau reducerea depunerilor de pe suprafaa tuburilor pot fi realizate prin urmtoarele: -ndeprtarea anterioar din fluide a suspensiilor de particule solide (decantare, coagulare i filtrare); -prevenirea polimerizrii prin adugare de compui de stabilizare; -separarea naterioar a substranelor dizolvate care pot forma depuneri (de exemplu, dedurizarea sau demineralizarea apei); -utilizarea unor unhibitori care reduc efectele corozive; -utilizarea unor tuburi fr asperiti, atunci cnd exist condiii de formare a straturilor de depuneri; -rzuirea continu a suprafeei tubului, ca de exemplu rzuirea sprafeei interioare a tubului n cazul cristalizatoarelor; -adugarea n fluid a unor bile bile de elastomer, care cur suprafaa tubului; -utilizarea unor tuburi din materiale speciale, ca de exemplu, teflon (politetrafluoretilen) sau granit, avantajoase n unele condiii de lucru caracteristice; -adugarea n fluid a unor substane germicide, care distrug microorganismele. Prezena depunerilor de pe suprafaa tuburilor trebuie corelat cu unele aspecte economice, ca de exemplu: -admindu-se n proiectare rezistenele termice specifice mari pentru depuneri, crete suprafaa de transfer necesar, deci crete costul schimbtorului; -la o durat mare de funcionare a schimbtorului, ntre dou curiri succesive, crete costul specific al energiei consumate pentru pomparea fluidelor; -la o durat mic de funcionare a schimbtorului, exist pierderi de producie cauzate de oprirea instalaiei i cheltuieli mai mari cu operaiile de curare a tuburilor; -operaiile utilizate pentru evitarea sau reducerea depunerilor necesit cheltuieli importante.

3.4.PRINCIPIILE CALCULUILUI TERMICPrincipalele date iniiale necesare pentru dimensionare tehnologic a unui schimbtor de cldur, sunt urmtoarele: debitul masic al unui fluid i temperaturile acestuia la intrara din aparat, iar pentru al doilea fluid temperatura de intrare i fie temperatura de evacuare, fie debitul masic. Aceste date sunt necesare pentru stabilirea sarcinii termice a schimbtorului (fluxul termic schimbat) i a mrimii necunoscute pentru al doilea fluid . Dac se d debitul celui de al doilea fluid (de exemplu, debitul de iei la un schimbtor de cldur petrol-iei dintr-o instalaie DA), trebuie s se calculeze temperatura de evacuare. Dac se fixeaz temperatura final (de exemplu, temperatura de evacuare a apei dintr-un rcitor de produs petrolier cu ap) trebuie s se calculeze debitul celui de al doilea fluid.12

Corelarea mrimilor amintite se face prin relaia de bilan termic cunoscut, neglijndu-se obinuit pierderile de cldur ctre mediul ambiant ( cschimbtoarele de cldur se izoleaz termic) i utilizndu-se, fie cldurile specifice medii, fie entalpiile specifice ale fluidelor: Q = mcCpc(tc1- ic2) = mc(ic1- ic2) = mrCpc(tr2- tr2) = mr(ir2- ir1) Se stabilesc remperaturile calorice ale celor dou fluide, prin metodele prezentate anterior, i se iau proprietile fizice la aceste temperaturi. n relaia de bilan termic este mai bine s se lucreze cu clduri specifice la temperatura medie aritmetic, ntre intrare i ieire, avndu-se n vedere c, de cele mai multe ori, pe intervale relativ mici de temperatur, variaia cldurii specifice cu temperatura este practic liniar. Se fixeaz care dintre fluide circul prin tuburi i care prin manta i se presupune, pe baza recomandrilor practice, coeficientul global de transfer de cldur cu depuneri, corespunztor ariei exterioare a tuburilor ked.

3.4.1.RELATII SIMPLE PENTRU CALCULAREA COEFICIENTULUI DECONVECIE EXTERIOR Dac n mantaua schimbtorului nu exist icane transversale curgerea fluidului de face longitudinal, seciunea de curgere este constant, iar coeficientul de convecie se calculeaz cu relaiile clasice pentru seciune constant, utilizndu-se diametru echivalent al seciunii respective. La fel se procedeaz i la schimbarea tub n tub, pentru fluidul care circul prin spaiul intertubular. Dac n mantaua schimbtorului exist icane transversale (cazul frecvent ntlnit), curgerea fluidului se face n special transversal pe fasciculul tubular, apar turbulene suplimentare, iar seciunea de curgere este variabil. Variaia seciunii de curgere este cauzat, pe de o parte de forma cilindric a mantalei ( la marginea ferestrei seciunea de curgere este mai mic dect cea de pe diametru mantalei schimbtorului) iar pe de alt parte de prezena tuburilor (seciunea de curgere este mai mare ntre irurile de tuburi i mai mic n dreptul axelor tuburilor). Prin plasarea mai apropiat a icanelor, viteza medie i turbulena fluidului cresc i deci coeficientul de convecie crete. Pentru acest caz, al fluidelor care circul prin mantaua schimbtoarelor de cldur prevzute cu icane transversale, existnd seciune de curgere variabil i turbulen accentuat, existnd seciune de curgere variabil i turbulen accentuat, s-au stabilit relaii specifice pentru calcularea coeficientului de convecie.

3.5. SCHIMBTOARE DE CLDUR CU TRANSFORMARE DE FAZ

13

3.5.1. REFIERBTOARE Refierbtoarele sunt aparate de schimb de cldur cu fascicul tubular, prin care se realizeaz aportul de cldur la baza unor coloane de funcionare. Aportul de cldur duce la vaporizarea parial a lichidului de la baza coloanei, dar cum acest lichid este abinuit un amestec, i la o uoar cretere a temperaturii. Cldura necesar se obine prin condensare de abur, prin rcirea unei fraciuni petroliere calde etc. n cazul unor sarcini termice foarte mari sau al unor temperaturi de vaporizare mai aportul de cldur la baza coloanei se realizeaz printr-un cuptor-refierbtor, la care se consum combustibil. Refierbtoarele tip schimbtor de cldur sunt de multe tipuri contructive i funcionale, tipurile principale fiind prezentate n continuare. n fig.21 este redat schematic refierbtor termosifon vertical cu recirculare, cu legturile sale la baza coloanei de fracionare. Lichidul de pe ultimul teler al coloanei se scurge n baza coloanei, printr-un deversor care asigur i nchiderea hidraulic. n baza coloanei se menine nivelul constant de lichid, printr-un regulator de nivel care acioneaz asupra evacurii produsului de baz al colaonei. Refierbtorul este un schimbtoe de cldur cu faccicul tubular n manta, rigid i cu un singur pas n tuburi, plasat vertical i funcionnd necat (refierbtorul i baza coloanei sunt vase comunicante; captul superior al tubului se afl la nivelul lichidului din coloan). Prin spaiul intertubular al refierbtorului circul agentul de nclzire (de exemplu, abur saturat care condenseaz; evacuarea condensului se face printr-o oal de condens, care asigur nchiderea hidraulic).debitul de agent de nclzire este reglat de un regulator de temperatur, care asigur o temperatur constant pentru lichidul din baza coloanei. O parte din baza coloanei circul natural (prin termosifonare), prin tuburile refierbtorului, are loc o vaporizare parial i amestecul de lichid i vapori reintr n colan, n care are loc separarea fazelor. Refierbtorul prezentat este cu recirculare, pentru c o parte din lichid reintrat n coloan poate ajunge din nou n tuburile refierbtorului.

14

Pe o nlime egal cu lungimea tuburilor, n partea stng a sistemului se afl o coloan de lichid, iar n partea dreapt a vaselor comunicante (n tuburi) un amestec de lichid i vapori cu densitate medie mai mic. Termosifonarea, circulaia natural cauzat de reducerea densitii prin nclzirea i vaporizarea parial a lichidului de pe un bra al vaselor comunicante, const n apariia unei diferene de presiune activ, exprimat prin relaia: pactiv = hg(lichid - amestec) n care h=L ete lungimea tuburilor. Debitul de lichid care se vaporizeaz este determinat de fluxul termic schimbat iar debitul de lichid care intr n refierbtor (circulaia lichidului i amestecului lichid-vapori prin refierbtor i conductele de legtur) de condiia: prezistent = pactiv Diferena de presiune rezistent este suma tuturor cderilor de presiune din circuit (cauzate de frecare la curgerea prin conductele de legtur i tuburi; cderile de presiune locale cauzate de schimbarea direciei de curgere i a seciunii de curgere; diferena de presiune cauzat de accelerare) Coeficientul de recirculare reprezint raportul dintre debitul masic de lichid care intr n refierbtor i debitul masic de vapori rezultai. Dimensionarea refierbtoarelor se face pentru valori ale coeficientului de recirculare cuprinse ntre 4 i 10 (fracia masic a vaporilor n amestecul final 0,1-0,25).15

Definiia utilizat pentru coeficientul de recirculare este preluat de la vaporizatoarele totale. Mai logic ar fi definirea coeficientului de recirculare prin raportul dintre dibitul care alimenteaz refierbtorul i debitul care se scurge prin deversor. n funionarea refierbtoarelor, coeficientul de recirculare se autoregleaz astfel nct s se ndeplineasc condiia anterioar. Plasndu-se ct mai jos racordul pentru evacuarea condensului din manta, se neglijeaz prezena stratului de condens din partea inferioar a mantalei. Nivelul de lichid n baza coloanei este ordinul 0,5 1 m. Intrarea amestecului n coloan se face la 0,3 0,4 m deasupra nevelului de lichid i de 0,6 0,9 m sub taler. n figura 22 este redat schema unui refierbtor termosifon orizontal fr recirculare. n acest caz, vaporizarea lichidului, tot parial, se realizeaz n mantaua refierbtorului. Dac se lucreaz fr recirculare (refierbtoarele termosifon verticale sau orizontale pot fi realizate cu sau fr recirculare), refierbtorul este alimentat, fie direct din deversor, fie dintr-un compartiment realizat la baza coloanei i alimentat de deversor. Se constat c lichidul din amestecul evacuat nu mai poate reveni n refierbtor. Debitul de lichid care alimanteaz refiebtorul este constant i egal cu debitul deversat de pe taler, acest lichid trecnd o singur dat prin refierbtor. Refierbtoarele termosifon fr recirculare nu sunt recomandabile pentru debite foarte mari de vaporizat, n raport cu debitul de produs de baz al coloanei. La acest refierbtoare nu se utilizeaz noiunea de coeficient de recirculare, ci numai fracia masic a vaporizatului din amestec, care obinuit este mai mare dect la refierbtoarele cu recirculare.

Refierbtorul orizontal poate fi rigid, cu cap flotant sau cu tuburi U i cu dou sau patru pasuri n tuburi. n manta, pentru tuburi de lungime mare, se poate lucra cu flux scindat sau dublu scindat i cu una sau dou intrri i ieiri. Nivelul de lichid din compartimentul de deversare se autoregleaz, astfel nct diferena de presiune rezistent s fie egal cu diferena de presiune activ.

16

Dac n mantaua refierbtorului se utilizeaz o ican de scindare, de prezena acesteia se ine seama numai la calculul cderii de presiune. Cderea de presiune a amestecului de lichid i vapori din manta se poate calcula simplu astfel (cnd exist o sican de scindare, care mbuntete contactul vapori-lichid: p = f(w)2/2 * L/dh ; Re = dh((w)/ n figura 23 este redat schema unui refierbtor cu spaiu de vapori. Acesta lucreaz fr recirculare i se caracterizeaz prin faptul c separarea fazelor se face refierbtor i nu n coloan. Mantaua refierbtorului conine n partea inferioar un fascicul de tuburi, care ocup o nlime mai mic dect diametrul mantalei. Tuburile sunt susiunute obinuit prin plci suport n form de sfert de cerc. Placa deversoare, care etanesz pe manta i care are o nlime ce depete cu 5 cm nlimea fascicului, delimiteaz camera lichidului care se evacueaz din refierbtor (produsul de baz al coloanei), prin intermediul unui regulator de nivel. Diferena ntre cele dou nivele de lichid din refierbtor de fixeaz la aproximativ 10 15 cm.

Refierbtoarele cu spaiu de vapori sunt constructiv mai complicate i nu lucreaz cu presiuni prea ridicate. Circulaia prin refierbtor se realizeaz prin termosifonare i numai n caz excepional, la lichide foarte vscoase se introduce o pomp care mpinge lichidul din baza coloanei n refierbtor. Nivelul de lichid fixat de deversor trebuie s se afle cu 20 30 cm deasupra prii inferioare a coloanei. Nivelul de lichid din coloan se autoregleaz, astfel nct s se asigur echilibrul diferenelor de presiune: (l lichid, v vapori; a amestec n condiii medii) din relaie se afl h ,de care depinde poziia conductei de vapori. Diferena de presiune rezistent conine: p pe conducta de vapori i p pentru accelerare (p n refierbtor este neglijabil).

17

h ( l a) + h g ( l v) = prezisten n figura 24 este readat schema unui refierbtor interior orizontal. Acesta const ntr-un fascicul tubular plasat n stratul de lichid din baza coloanei, al crui nivel se menine constant. Refierbtoarele interioare se utilizeaz n cazul sarcinilor termice mici i al coloanelor de diametru mare. Ele se utilizeaz n prezent i la stripere de fraciuni petroliere, la care s-a renunat la scriparea direct cu abur ( se reduce consumul de abur; scade sarcina condensatorului de la vrful coloanei). Aportul de cldur se realizaaz prin intermediul unei fraciuni petroliere calde.

3.5.2. VAPORIZATOARE Vaporizatoerele discutate n cele ce urmeaz, care au numeroase aspecte comune cu refierbtoarele, sunt aparate de schimb de cldur, cu fascicul n manta, n care prin aport de cldur se realizeaz voporizarea unui lichid n majoritatea cazurilor pur. Nu este corect ca aceste aparate s se numeasc evaporizatoare, pentru c prin evaporare se nelege vaporarea unui lichid n prezene unui gaz, vaporizarea avnd loc numai la interfaa lichid-gaz i la o temperatur mai mic dect temperatura de fierbere corespunztoare a presiunii totale. Majoritatea vaporizatoarelor sunt, fie generatoare de abur cu rol de recuperatoare de cldur, fie rcitoare sau condensatoare cu ageni frigorifici (etilen, propan, amonic etc.), n care agentul frigorific se vaporizeaz izotermic. Vaporizatoarele cu fascicul tubular n manta sunt de multe tipuri constructive i funcionale, tipurile principale fiind cele prezentate n continuare

18

n figura 25 este redat schema unui vaporizator vertical termosifon, cu vaporizatoare n manta n manta i separator exterior. Alimentarea cu lichid se face n vasul separator, printr-un regulator de nivel prin spaiul intermediar al vaporizatorului circul prin terosifonare lichidul din separator, care se vaporizeaz parial, amestecul lichidvapori revenind n separator. La circulaia prin terosifonare, separatorul se plaseaz mai sus dect vaporizatorul. Dimensionarea vaporizatorului se face pentru un coeficient de recirculare de ordinul 4 10 ( la o trecere, fracia masic a vaporizatorului este 0,1 0,25). Din separator se evacueaz vapori saturai, obinuit prin intermediul unui demister care reine picturile antrenante. De multe ori, evaporarea vaporilor se face printr-un regulator de presiune. Vaporizatorul este cu vaporizare total, pentru c ntregul debit de lichid introdus este vaporizat. Exist i vaporizatoare cu pomp de reciclare a lichidului prin vaporizator. Fluidul de nclzire circul prin interiorul tuburilor vaporizatorului.

Astfel de vaporizatoare se ntlnesc, de exemplu, n instalaii de piroliz, pentru generare de abur cu cldur recuperat, prin rcirea gazelor de piroliz evacuate din cuptor. n figura 26. Este redat schema unui vaporizator orizontal termosifon, cu vaporizare n manta i separator exterior. n manta poate fi utilizat o ican de scindare. Astfel de vaporizatoare se ntlnesc frecvent la rciri sau condensri cu agent frigorific, acesta voporndu-se parial (la o trecere) n mantaua vaporizatorului . Ele por fi utilizate i ca generatoare de abur ca de exemplu n instalaiile de anhidrid maleic i anhidrid ftalic, prin recuperare de cldur din eflueni.

19

n figura 27 este redat schema unui vaporizator nclinat termosifon n tuburi i separator exterior. Pentru a se uura circulaia prin termosifoane, vaporizatorul este nclinat cu 15o fa de orizontal, iar intrarea fluidului cald se face n partea superioar a tuburilor (vaporizare local mai intens). Astfel de vaporizatoare se ntlnesc n multe sisteme frigorifice, ca de exemplu pentru rcire de sol cu agent frigorific NH3, n instalaia de oxid de etilen i glicoli n figura 28 este redat schema unui vaporizator orizontal cu spaiu de vapori. Acesta se caractetizeaz prin faptul c separarea vaporilor se face chiar n mantaua vaporizatorului. n unele sisteme frigorifice se ntlnesc i vaporizatoare cu spaiu de vapori duble, n sensul c n aceeai manta sunt plasate cap la cap dou fascicule de tuburi, prin care circul fluide diferite care se rcesc.

Vaporizatoarele cu spaiu de vapori se utilizeaz i ca generatoare de abur prin recuperare de cldur, ca de exemplu n instalaii de piroliz ( n circuit nchis, difilul rcete gazele de pirolin i apoi genereaz abur) i n instalaiile de anhidrid ftalic i20

anhidrid maleic ( n acest ultim caz se utilizeaz ca agent sruri topite, care transport cldur din reactor). n unele cazuri, att la sisteme frigorifice, ct i la generri de abur, mai multe vaporizatoare pot fi deservite de un singur separator. Dac la rcirea unui fluid, care circul prin tuburile unui schimbtor de cldur, se dorete meninerea unei tempetaturi constante la ieire, rcirea fiind realizat cu un lichid care se vaporizeaz n manta (ap, agent frigorific), se poate lucra cu nivel de lichid n manta ( cu separarea fazelor). Acest nivel fiind variabil. n zona de lichid are loc un transfer de cldur intens (prin fierbere), iar n zona de vapori transferul de cldur este redus (uoar supranclzire a vaporilor). Impulsul se temperatura de la evacuarea fluidului rcit camand nivelul necesar al lichidului din manta, iar acesta debitul de lichid care intr n manta, modificndu-se astfel fluxul termic schimbat. Toate vaporizatoarele prezentate anterior sunt ca vaporizare total. Se ntlnesc ns i vaporizatoare cu vaporizare parial ( din separator se evacueaz n exterior, att vapori ct i lichid), ca de exemplu concentratoarele de soluii din industria chimic. 3.5.3.CONDENSATOARE n figura 29 este redat schema unui condensator clasic de amestec complex, care evacueaz cele trei faze rezultate ntr-un separator. La partea inferioar a acestuia separ apa, care se evaloreaz printr-un regulator de nivel, cu impuls de la interfaa ap-benzin. Benzina separat este evacuat cu o pomp i parial este mpins ca reflux la vrful coloanei, printr-un regulator care menine constant nivelul de benzin din separator. La partea superioar a separatorului sunt evacuate gazele, obinuit printr-un regulator de presiune.

21

n figura 30 este redat schema unui condensator total de faz unic. Condensul trece ntr-un vas de reflux n care se menine nivel constant i din care este evacuat cu o pomp. Presiunea pe sistem este determinat de presiunea de vapori a lichidului din vasul de reflux, iar acesta la rndul su este determinat de temperatur. Temperatura condensului poate fi reglat prin variaia debitului de agent de rcire de la condensator. n final, regulatorul de presiune acioneaz asupra debitului de agent de rcire.

22

n figura 31 este redat tot schema unui condensator total de faz unuc, caracterizat

23

n figura 32 este redat schema unui condensator orizontal, cu condensare n manta, caracterizat prin faptul c evacuarea condensului se face printr-un sistem deversor (preaplin), care menine un nivel constant de condens n partea inferioar a mantalei (nchidere hidraulic; subrcire a condensului; evitarea necesitii unui vas de reflux). Sistemul deversor are legtur de drenare pentru lichid i legtur de ventilare pentru vapori, necesare la golirea instalaiei (dup oprire). Condensatorul fiind plasat mai sus dect vrful coloanei, circulaia refluxului i a produsului de vrf al coloanei sunt asigurate prin cdere liber. Pe conducta de reflux se afl o nchidere hidraulic, pentru vaporii de la vrful coloanei. Cteva aspecte generale asupra condensatorului, unele fiind ilustrate n schemele anterioare: -condensatoarele pot lucra cu condensare parial sau total; -la condensare parial, separarea fazelor se face ntr-un separator exterior, iar uneori chiar n mantaua condensatorului ( la un condensator de suprafa dintr-un sistem de vid, condensul este evacuat din partea inferioar a mantalei prin intermediul unui picior barometric, iar necondensabilele sunt trase de ejector pe la partea superioar a mantalei); -produsul de vrf al coloanei poate fi obinut total n faza lichid, n faz mixt (lichid+vapori) sau total n faz vapori (n acest caz, este condensat numai partea care constituie refluxul); -condensatoarele pot fi plasate deasupra sau dedesuptul vasului de reflux; -evacuarea refluxului se poate face cu o pomp (pomp de reflux) sau prin cdere liber; -se poate lucra cu sau fr vas de reflux n partea inferioar a mantalei, sau ntr-un dom anexat la partea inferioar a mantalei; -condensarea se poate face n manta sau n tuburi ( de exemplu, la condensatoarele cu aer), condensatorul fiind plasat orizontal sau vertical. O coloan de fracionare clasic este prevzut cu dou aparate de schimb de cldur: un condensator la vrf, n care se evacueaz cldur, consumndu-se ca agent de rcire i un refierbtor la baz, n care se primete cldur, consumndu-se un agent de nclzire. Este posibil s se utilizeze un singur aparat de schimb de cldur necesar vaporizrii pariale a lichidului de la baza coloanei. Acest transfer de cldur nu poate fi realizat direct, pentru c temperatura de condensare a vaporilor de vrf este mai mic dect temperatura de fierbere a lichidului de baz. n figura 33 este prezentat o schem de principiu, cu un astfel de aparat de schimb de cldur condensator-refierbtor. Sistemul, numit pomp de cldur se caracterizez prin faptul c vaporii de la vrful coloanei sunt comprimai nainte de intrarea n schimbtorul de cldur (crete presiunea, crete temperatura de condensare i transferul de cldur este posibil). Partea de condens utilizat ca reflux este laminat nainte de intrarea n coloan (scade presiunea, scade temperatura i are loc o uoar vaporizare).

24

Comparativ cu schema clasic, este necesar la acest sistem un singur aparat de schimb de cldur, nu se consum agent de rcire i nu se consum agent de nclzire. n schimb, la sistemul cu pomp de cldur, este necesar un compresor care consum energie pentru antrenare. Studiile din ultimii ani au dus la concluzia c sistemele de pomp de cldur utilitzate la coloanele de fraciune sunt economice, numai la separarea unor componeni cu temperaturi de fierbere apropiate ( propilen-propan; etilen-etan etc.), comprimarea necesar fiind cu un raport de compresie mic i deci cu consum mic de energie. Exist diverse scheme de pompe de cldur utilizate la coloanele de fracionare i diverse posibiliti de compensare a inegalitii sarcinilor termice de la condensator la refierbtor.

3.5.4.CRISTALIZATOARE Separarea prin cristaliazre a unor componei din diverse amestecuri lichide este un proces ntlnit n numeroase instalaii tehnologice (separarea paraxilenuilui, deparafinarea uleiurilor, obinerea de uree, paraclorbenyen, acizi grai, caprolactam, colorai organici, nitrotolueni etc.).25

Cristalizatoarele obinuite eunt schimbtoare de cldur tub n tub, care conin n tubul interior un ax n micare, prevzut cu lamele de rzuire. Prin spaiul intertubular circul agentul de rcire (agentu frigorific), iar prin tubul interior soluia supus rcirii, din care se face separarea unui component de cirstalizare. Stratul de cristale care se formeatz pe suprafaa de rcire trebuie continuu rzuit i evacuat cu soluia, spre filtrele se separare. Deci cristalizatoarele sunt schimbtoare de cldur cu rzuire continu a suprafeei interioare a tuburilor. Astfel de aparate sunt utilizate i la rcirea unor gaze care conin particule ce tind s se depun pe suprafaa de transfer. Chiar n cazul n care nu exist depuneri, la fluide foarte vscoase, rzuirea suprafeei prezint avantaj (se distruge filmul de fluid de pe perete i se mbuntete transferul de cldur).

n figura 34 este prezentat schema unui cristalizator prevzut pe ax cu un singur ir de lamele drepte. n aceste cazuri, pe ax este plasat o lamel elicoidal care are tot o micare de rotaie, sau eventual o micare longitudinal dus-ntors, pe o distan agal cu pasul elicei. Transferul de cldur este mbuntpit i prin turbulen realizat de lamelele n micare. Cristalizatoarele sunt amplasate n baterii de cte 10-16 elemente pe dou iruri verticale, cu antrenare comun la elementel eunei baterii (cu lan sau cu urub fr sfrit, cuplate la pinioanele exterioare ale axelor rotoare).

3.6.SCHIMBTOARE CU TUBURI CU SUPRAFA EXTINSDup cum se tie, coeficientul global de transfer de cldur este mai mic dect ambii coeficieni pariali de transfer de cldur. Pentru a se majora sensibil coeficientul global, trebuie s se majoreze coeficientul parial cu valoare mic. Dac, de exmplu, coeficientul parial exterior are valoare mic, transferul de cldur poate fi mbuntit prin majorarea suprafeei exterioare a tubului. Dup o astfel de majorare a suprafeei, se poate scrie relaia: = et A et/Ae n care Ae reprezint aria exterioar a tubului normal; A et aria exterioar total a tubului dup extinderea suprafeei; et coeficientul parial exterior corespunztor tot suprafeei extinse, dar exprimat pe unitatea de arie a tubului normal. Extinderea suprafeei exterioare a tubului se poate realiza prin :26

-aripiare circulare transversale, nalte i joase; -nervuri longitudinale nalte i joase; -epi cilindrici sau conici; -rugozitatea artificial pronunat etc. extinderea de suprafa la interiorul tuburilor este foarte punin utilizat. Ea poate fi realizat prin caneluri longitudinale sau elicoidale i prin rugozitate artificial. Principalele tipuri de schimbtoare de cldur la care se utilizeaz tuburi cu suprafaa exterioar extins sunt, n ordinea importanei lor, urmtoarele: -rctoare i condensatoare cu aer, cu tuburi cu aripiare circulare tranversale (fiind cele mai importante, n cele ce urmeaz se va insista asupra lor. -schimbtoare de cldur cu facicul tubulat n manta, cu tuburi cu aripioare circulare transversale joase; -schimbtoarele de cldur tub n tub, tubul interior fiind prevzut la exterior cu nervuri longitudinale nalte. 3.6.1.RACITOARE I CONDENSATOARE CU AER 3.6.1.1.ASPECTE CONSTRUCTIV-FUNCIONALE La rcitoarele i condensatoarele cu aer se utilizeaz tuburi din oel prevzut cu aripioare circulare, transversale, nalte. n fig.35 sunt redate seciunile de principiu printr-un astfel de tub i sunt trecute i simbolurile mrimilor geometrice caracteristice.

Obinuit (pn la 250o C) aripioarele sunt din aluminiu care, avnd o conductivitate termic mare, face ca temperatura medie de pe suprafaa aripioarelor s fie mai apropiat de temperatura peretelui tubului. n prezent, tuburile cu aripioare nalte din aluminiu se fabric astfel: pe peretele tubului se exercit un canal elicoidal, prin care se nfoar sub tensiune banda de aluminiu, iar apoi se preseaz n spaiul dintre aripioare, pentru a se asigura buna contactare dintre aripioare i tub. Exist i alte metode de fabricare a tuburilor cu aripioare nalte, ca de exemplu: banda de Al este ncreit la baz, nfurat elicoidal pe tubul normal i final solidarizat prin zincare; se taneaz individual aripioare cu distaniere, care se fixeaz pe tub prin presare la cald sau prin zincare; un tub din Al cu perete gros este supus extrudrii pentru a se obine un tub cu aripioare, iar final acest tub este tras la cald peste un tub din oel.27

n figura 36 este redat o seciune longitudinal de principiu, printr-un tip obinuit de rcitor cu aer, iar n figura 37 o seciune transversal. n aceste schie sunt trecute i simbolurile mrimilor geometrice caracteristice.

Rcitorul conine obinuit dou fascicule de tuburi plasate alturat, acestea avnd limi reletiv reduse, pentru a fi transportate i montate mai uor. Se utilizeaz un numr de tuburi pe ir la o secie Nt = 18,22, 26,30 sau 34. n unele cazuri fasciculele nu sunt identice i servesc la rcirea a dou fluxuri de fluide diferite.

28

Tuburile sunt plasate intercalat pe 4-8 iruri (obinuit 4,6 sau 8 ), aezarea fiind n majoritatea cazurilor n triunghi isoscel (pentru tuburile prezentate anterior s=64 mm i s =62 mm). Tuburile cu capetele mandrinate n cutii colectoare de form paralelipipedic, cu limea lc = 250mm. Pentru curirea interioar a tuburilor, colectoarele sunt prevzute la exterior, fie cu capace demontabile, fie cu dopuri filetate n dreptul fiecrui tub. n cutiile colectoare exist icane pentru realizarea mai multor pasuri n tuburi. Obinuit, un ir de tuburi constituie un pas. Cum global fluidul din tuburi circul descendent, iar aerul ascendent, schimbul de cldur ntr-un rcitor cu aer se realizez n contracurent ncruciat. Pentru o bun distribuie a fluxului supus rcirii, de exmplu, la un rcitor cu dou fascicule, fluxul de fluid este mprit n dou, iar apoi fiecare ramificaie remprit din nou n dou, abinndu-se o distribuie simetric la patru racorduri de intrare. Sistemul de colectare la evacuarea produsului se construiete asemntor. Susinerea tuburilor, care sunt foarte lungi, se face prin intermediul unor suporturi secionate n dreptul axelor tuburilor de pe fiecare ir, pentru a putea fi montate. n locaurile suporturilor sunt aliminate aripioarele. Pentru uurarea mandrinrii, tuburile sunt la capete lipsite de aripioare. n majoritatea cazurilor se utilizeaz un numr de suporturi ns = 5, fiecare avnd limea ls = 50 mm. Cutiile colectoare i suporturile se solidarizeaz cu plci laterale ale fiecrui fascicul prin intermediul unor rame cu limea lr = 80 mm. n prezent se prefer plasarea ventilatoarelor sub fasciculele de tuburi, deci operarea cu tiraj refulat, pentru c temperatura aerului fiind mai mic consumul de putere la ventilatoare este mai redus i pentru c aerul ptrunde n fascicul cu o turbulen mai mare. Operarea cu tiraj aspirat, ar prezenta numai avantajul unei circulaii mai uniforme a aerului n toat seciunea rcitorului. Obinuit rcitoarele cu aer au fasciculele de tuburi plasate orizontal. n cazuri spaciale de condensare sunt utilizate i aparate cu fascicule nclinate, sub form de V ntors, ventilatoarele fiind orizontale i plasate n partea inferioar, sau aparate cu fascicule verticale aezate n poligon, ventilatorul fiind plasat central n partea superioar. Acest ultim tip de aparat poate fi condensator parial pentru reflux i se plaseaz chiar pe vrful coloanei de fracionare. Rcitoarele i condensatoarele cu aer, n raport cu cele cu ap de recirculare, prezint mai importante avantaje dect dezavantaje, astfel nct n prezent ele sunt de preferat. Principalele avantaje sunt urmtoarele: -aerul exist pretutindeni i n cantiti nelimitate;29

-la rcirea cu aer nu sunt necesare instalaii auxiliare, ca n cazul rcirii cu ap de recirculare(instalaii de traterea apei de adaos, turnuri de rcire a apei); n cazul aerului depunerile de pe suprafaa tuburilor sunt minore; -rcitoarele i condensatoarele cu aer lucreaz cu coeficieni globali de transfer mari; sistemele de rcire cu aer ocup un spaiu mai mic, dac se iau n consideraie i instalaiile auxiliare necesare pentru apa de recirculare; -la rcitoarele cu aer nu este necesar demontarea fasciculelor tubulare, pentru curirea tuburilor din exterior. Principalele dezavantaje ale rcirii cu aer, n raport cu rcirea cu ap de recirculare, sunt urmtoarele: -se consum energie electric pentru antrenarea ventilatoarelor; -pentru aceai flux termic schimbat, rcitoarele cu aer sunt mai voluminoase i mai scumpe dect rcitoarele cu ap; -n instalaii, rcitoarele cu aer necesit spaii libere relativ mari, deasupra i dedesuptul lor; -funcionarea ventilatoarelor este zgomotoas; -eventualele scurgeri de produse prezint un pericol mai mare la rcitoarele cu aer dect la cele cu ap; n condiii dezavantajoase n care se dimensioneaz rcitoarele, la rcitoarele cu aer se admit rciri n la 50oC, spre deosebire de rcitoarele cu ap de reciclare la care se admit rciri de pn la 40oC (la benzin, rcirea cu aer trebuie urmat de o rcire cu ap); -cum temperatura aerului atmosferic variaz n limite foarte largi, reglarea temperaturii finale a produsului la rcitoarele cu aer este mai dificil. Pe timp de iarn, temperatura atmosferic fiind sczut, rcirea produsului este avansat i pot aprea urmtoarele dificulti: -solidificare (congelarea) produsului n tuburi; -depunerea de parafin pe suprafaa interioar a tuburilor; -creterea nsemnat a vscozitii lichidului i deci creterea cderii de presiune; -formarea de hidrai, la parafinele sau olefinele C1 C4 saturate cu vapori de ap; -rcirea unor gaze umede sub punctul de rou i apariia corozinilor n tuburi; exist diverse posibiliti de reglare a temperaturii finale a produsului rcit, ca de exemplu: -reducerea debitului de aer, prin nchiderea parial a jaluzelelor plasate deasupra fasciculelor de tuburi; -reducerea debitului de aer, prin modificarea unghiului de nclinare a paletelor ventilatorului, manual sau automat; -reducerea debitului de aer, prin reducerea turaiei ventilatorului; -oprirea ventilatoarelor, n care caz circulaia aerului este liber; -recircularea parial extern a aerului cald evacuat, astfel nct s se obin o temperatur medie acceptabil a aerului, la intrarea n fascicule; -recircularea parial a aerului, prin schimbarea sensului de rotaie a unui ventilator; -prevederea sub fascicule a unui serpentine de nclzire cu abur a aerului(la produsele care prezint pericol de congelare, nclzirea se utilizez obinuit pentru decongelare). n figura 38 sunt prezentate schemele a trei sisteme de reglare, cu recirculare de aer, n care apar diverse registre de nchidere, interioar sau exterioar.

30

n zilele foarte clduroase de var, cnd rcirea nu este satisfctoare, se evapor ap n aer (prin stropire), aerul rcindu-se cel mult pn la temperatura corespunztoare a termometrului umed. Rcirea este cu att mai avansat, cu ct aerul atmosferic este mai uscat.

3.7.SCHIMBTOARE DE CLDUR PRIN CONTACT DIRECTn industria petrochimic i n unele domenii colaterale se ntlnesc diverse produse i aparate de transfer de cldur prin contact direct ntre dou fluide, dintre care cele mai importante sunt eumerate n cele ce urmeaz. n instalaiile tehnologice i n centralele de termoficare anexate combinatelor se ntlnesc fregvent turnuri de rcire a apei de recirculare. n aceste aparate, apa cald provenit de la rcitoare i condensatoare este rcit prin contact direct cu aerul atmosferic, n contracurent

31

n unele instalaii se utilizeaz pentru rcirea unor eflueni gazoi coloane de rcire cu ap, prin contact direct n contracurent. Coloanele sunt prevzute cu umplutur i pe lng rcirea gazelor, pot realiza eventual i absorbia sau condensarea unor componeni. Condensarea vaporilor de ap dintr-un amestec abur-gaze necondensabile se poate face prin contact direct cu apa. Astfel de procese se ntlnesc obinuit la sistemele sub vid, aparatele corespunztoare fiind condensatoare barometrice de amestec. Rcirea unor fraciuni petroliere se poate face prin contact direct cu apa, fraciunea petrolier fiind dispersat n picturi, care se deplaseaz ascensional printr-o coloan de ap, apa circulnd n contracurent cu o vitez foarte mic. Se mai cunosc i alte procese de transfer de cldur prin contact direct ntre dou lichide nemiscibile, n care caz au loc i transformri de faz. Un procedeu de obinere a apei industriale din ap de mare const n introducerea nt-un ulei fierbinte a picturilor de ap, care se vaporizeaz, srurile depunndu-se pe stratul de ulei. Solidificarea bitumului sub form de granule se poate obine prin scurgerea bitumului cald din instalaie, n picturi, ntr-o coloan de ap. n toate aparatele de transfer de cldur prin contact direct apar i procese de transfer de mas, de mai mic sau de mai mare importan. 3.7.1.TURNURI DE RCIRE A APEI DE RECIRCULARE Multe instalaii tehnologice din rafinriii conbinate petrochimice, mari consumatori de ap de recirculare, sunt nzestrate cu turnuri de rcire a apei proprii (cracarea catalitic etc.). chiar dac tehnologul de petrol nu proiecteaz turnuri de rcire a apei de recirculare, este bine ca el s cunoasc aspectele constructiv-funcionale ale acestora. n turnurile de rcire apa vine n contact direct cu aerul atmosferic i transferul de cldur este nsoit i de un proces de transfer de mas . ca urmare, nainte de a se analiza schimbul de cldur din turnurile de rcire, este necesar s se prezinte pe scurt proprietile aerului umed i noiunile de baz ale transferului de mas. 3.7.1.1.PROPRIETILE AERULUI UMED Aerul atmosferic conine ntotdeauna( deci i la temperaturi sub 0oC) o cantitate nsemnat de vapori de ap i n unele cazuri chiar i ap n stare lichid (cea). n prezena aerului, transformarea apei n vapori este posibil la temperaturi mai mici dect temperatura de fierbere corespunztoare presiunii atmosferice. Spre deosebire de fierbere, acest fenomen evaporarea- este de natur superficial, transformarea de faz avnd loc numai la interfaa ap-aer. n atmosfera clar, n mod obinuit, presiunea parial a vaporilor este mai mic dect presiunea corespunztoare fierberii la temperatura atmosferic (aerul nu este saturat cu vapori de ap). Cnd presiunea parial a vaporilor de ap este agal cu presiunea de vapori a apei la temperatura respectiv, aerul este saturat cu vapori de ap (starea aceasta se numete i punct de rou, pentru c o scdere orict de mic a temperaturii este nsoit de o condensare parial a vaporilor). Cnd temperatura aerului saturat cu vapori de ap scade, o parte din vapori condenseaz formnd ceaa, iar vaporii rmai asigur o presiune parial egal cu presiunea de vapori a apei la noua temperatur. Aerul umed este mtlnit n diverse tipuri de instalaii: turnuri pentru rcirea apei, instalaii de uscare, rcitoare i condensatoare de suprafaa cu aer, instalaii de condiionare a aerului etc.32

Coninutul de vapori de ap al aerului se exprim fie prin umiditatea absolut, fie prin uniditatea reletiv. Prin umiditatea absolut se nelege raportul dintre masa vaporilor de ap i masa aerului uscat corespunztor: X = mv/ ma = 18nv/ na = 0,622nv/ n [kg vapori/ kg aer uscat] n care n reprezint numrul de kmol. Prin umiditate relativ se nelege raportul dintre cantitatea de vapori coninui de aerul umed i mantitatea maxim (la saturaie) de vapori care pot fi coninui, n condiiile de temperatur i presiunea total existente: = mv/mv,s = pv / pv,s = x / x s Determinarea experimental a umiditii aerului cu ajutorul higrometrelor (indicatoare) sau higrografelor (nregistratoare).higrometrele sunt de foarte multe tipuri: cu fie de pr (simple sau electrice), bazate pe propriatatea firului de pr de a se alungi odat cu creterea umiditii, cu condendaie, cu absorbie, aparate cu care se detremin temperatura punctului derou, aparate optice, aparate electrolitice, higrometre de evaporare etc. Psihrometrul, unul dintre cele mai precise i mai utilizate higrometre, este un higrometru cu evaporare i aspiraie. El se compune din dou termometre cu mercue (fig.41; - termometru umed, 2- termometru uscat, 3- tuburi de aspiraie, 4-tifon, 5-tub central, 6ventilator, 7-resort, 8-carcas cu fante de refulare, 9- cheia pentru resort), unul avnd resortul nfurat n tifon, care se ud naintea fiecrei determinri. pA lng rezervoarele celor dou tremomentre, se aspir cu o anumit vitez, cu ajutorul unui ventilator, aerul atmosferic. Dup pornirea ventilatorului, se constat c temperatura indicat de termometru umed scade rapid i apoi se menine constant. Umiditatea aerului poate fi calculat n funcie de cele dou temperaturi caracteristice (temperatura indicat de termometru uscat t i temperatura indicat de termometru umed tu) i de presiunea atmosferic.

33

34