4

Clasificarea schimbtoarelor de cldur

2.1 Introducere

Schimbtorul de cldur este un echipament de transfer termic, care transmite cldura de

la un mediu la altul. Transmiterea cldurii 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 despritor n regim staionar, cldura trecnd prin perete, schimbtorul este de tip

recuperativ, iar dac mediile sunt n contact succesiv cu aceeai fa al peretelui, cldura se

acumuleaza n perete i este cedat mediului rece, schimbtorul este de tip regenerativ.

Transferul de cldur are loc ntotdeauna, conform principiului al doilea al

termodinamicii, de la mediul mai cald la cel mai rece.

Dup modul de transfer termic schimbtoarele se mpart n schimbtoare de suprafa, la

care transmiterea cldurii se face printr-un perete despritor, considerat suprafa de separaie,

cu o conductivitate termic ct mai mare i schimbtoare prin amestec, la care transmiterea

cldurii se face prin amestecul mediilor. Deoarece sunt mai simple i mai eficiente,

schimbtoarele prin amestec sunt preferate n toate cazurile n care fluidele se pot amesteca.

Transferul termic poate fi staionar n timp (continuu) sau nestaionar (periodic). Cele cu

transfer continuu sunt realizate de obicei cu suprafa de separaie i sunt numite recuperatoare,

iar cele cu transfer nestaionar acumuleaz cldura ntr-o perioad de timp i o restituie n alta,

fiind numite regeneratoare. Un alt tip de schimbtoare de cldur nestaionare sunt

acumulatoarele, n care cldura este acumulat i livrat apoi la cerere.

Suprafaa de schimb de cldur poate fi realizat din evi n fascicul tubular, de tip eav

n eav, din evi n form de serpentin sau din plci profilate. Suprafaa poate s fie neted sau

cu nervuri, aripioare (suprafee extinse). De-a lungul suprafeei, fluidele pot curge n acelai 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 ncruciat, n

5

care cele dou fluide curg perpendicular unul pe altul, cu amestecarea uvielor de fluid pe partea

respectiv a suprafeei (curgere amestecat) sau fr amestecarea lor (curgere neamestecat), i

scheme mixte, cu una sau mai multe treceri [8].

2.2 Schimbtoare de cldur de tip recuperativ

2.2.1 Schimbtoare de cldur fr schimbare de faz

Majoritatea schimbtoarelor lucreaz fr schimbarea strii de agregare a mediilor, iar

transferul termic are loc ntre fluide: lichid-lichid (rcitoare, nclzitoare, prenclzitoare), lichid-

vapori (condensatoare), lichid-gaz (radiatoare, boilere, butelii de nclzire, n instalaii

frigorifice), vapori-lichid (vaporizatoare, prenclzitoare, fierbtoare), vapori-gaz i gaz-gaz.

2.2.1.1 Schimbtorul de cldur cu fascicul tubular

Cele mai reprezentative i cele mai rspandite schimbtoare de caldur sunt cele tubulare care

pot fi:

a) Schimbtoarele de caldur tubulare simple. n forma cea mai simpl schimbtoarele

tubulare sunt construite dintr-un fascicul de evi fixate la capete n gurile a dou plci

tubulare; la extremitile fasciculului tubular sunt dou camere (de distributie i de

colectare) acoperite cu capace. Patru racorduri, dintre care dou la capetele mantalei i

cte unul la fiecare capac, servesc pentru intrarea i ieirea celor dou fluide. Prin aceasta

construcie se separ, n interiorul aparatului, cele dou spaii ale unui schimbtor de

cldur: spaiul dintre evi i manta i spaiul din interiorul evilor (mpreun cu camera de

distribuie i cea de colectare dintre capace i plcile tubulare). Cnd schimbtorul este

ncalzit cu abur, un racord pentru conducta de aerisire este indispensabil. n figura 2.1 se

reprezint schema funcional al unui schimbtor de caldur multitubular.

6

Figura 2.1 Schema funcional a unui schimbtor de cldur multitubular

b) Schimbtoare de caldur cu mai multe treceri prin evi. Deoarece coeficientul de

transmitere crete cu creterea vitezei fluidului, se construiesc schimbtoare de caldur cu

mai multe treceri, n care fluidul care circul prin interiorul evilor parcurge de mai multe

ori schimbtorul, trecnd ntr-un sens i n sens contrat prin cte o fraciune din evile

fasciculului. Dirijarea lichidului se face prin perei despritori etani, prevzui n

camerele de la capetele evilor.

a. n general, cnd locul permite, se prefer s se monteze mai multe schimbtoare n

serie, fiecare cu un numr mic de treceri, dect un singur schimbtor cu numr

mare de treceri.

c) Schimbtoare de cldur cu icane. Fluidul care circul printre evile fasciculului, are,

de obiciei, vitez mic din cauza seciunii mari al cilindrului mantalei n comparaie cu

seciunea total a evilor. Pentru mrirea vitezei, i deci al coeficientului de transmitere, se

monteaz icane longitudinale (paralele cu evile), transversal (perpendiculare pe evi) sau

elicoidale, n spaiul dintre evi. icanele transversale i elicoidale mai au avantajul ca

dirijeaz curentul de fluid perpendicular pe fasciculul de evi (transmitere de cldur n

curent ncruciat) mbuntind n acest fel coeficientul de transmitere [8].

7

2.2.1.2 Schimbtoare de cldur cu serpentine

Schimbtoarele de cldur cu serpentin sau mai multe sunt indicate pentru debite mici de

fluid. Aceste aparate sunt formate dintr-un recipient nchis sau deschis, prin care trece lichidul

rece i din serpentinele prin care circul fluidul cald. Aceste schimbtoare de cldur nu pot fi

folosite pentru lichidele care formeaz cruste sau depuneri greu de curat n interiorul

serpentinelor. n figura 2.2 se prezint un tip de schimbtor de cldur cu serpentine vzut dintr-o

parte i lateral.

Figura 2.2 Schimbtor de cldur cu serpentine

2.2.1.3. Schimbtoare de cldur cu plci

Schimbtoarele cu plci prezint avantaje importante: o mare concentrare a suprafeei de

transfer termic (pn la 200 m2 suprafa de transfer pe metrul cub de aparat), transfer termic

intens i eficace datorat grosimii mici al curentului de fluid ntre plci i al turbulenei provocate

de ondulaiile plcilor, rezistena mic la curgerea fluidelor, curire uoar prin desfacerea

aparatului, evitarea depunerilor, posibilate de adaptare la scop.

8

Schimbtoare de cldur cu plci lucreaz la presiuni relativ mici pentru ambele fluide i

au nceput s fie utilizate mai des n industria petrochimic, ele fiind uoare i cu gabarit mic n

raport cu aria de transfer.

Figura 2.3 Schimbtoare de cldur cu plci

2.2.1.4. Schimbtoare de caldur spirale

La aceste schimbtoare, suprafaa de schimb de cldur 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 ncruciat. Datorit suprafeelor relativ plane,

de obicei presiunea de lucru este limitat la 20 bar, dar exist i construcii care se pot folosi la

presiuni de sute de bar, respectiv temperaturi de sute de C.

Figura 2.4 Schema unui schimbtor de cldur spiral.

9

Sunt schimbtoare compacte, cu cderi de presiune relativ mici i pot fi folosite pentru

fluide care pot colmata uor canalele, tipul de curgere prin schimbtor favoriznd autocurirea

[9].

2.2.1.5. Schimbtoare de cldur cu evi coaxiale

Aceste schimbtoare sunt folosite tot pentru debite mici de fluide. Aparatul se poate

construi cu mijloacele unui mic atelier i poate fi adaptat cu uurint la nevoile procesului

tehnologic, schimbnd numrul elementelor. Ele se pot construi prin legarea n serie i n paralel

a unor elemente, compuse din dou evi coaxiale, prin coturi i puni.

Asamblarea elementelor se face prin legturi fixe (sudur) sau demontabile (mufe, flane,

piulie olandeze). Un alt avantaj al acestor aparate, alctuite din evi cu diametre mici, este buna

lor rezisten la presiune [10].

Figura 2.5 Schimbtoare de cldur coaxiale

2.2.1.6. Schimbtoare de cldur cu plci ondulate, ncruciate

Au fost obinute rezultate deosebit de avantajoase:

a) concentrarea suprafeei de transmitere pn la 650 m2/m3;

b) grosime foarte mic a plcilor, permind construirea lor din materiale scumpe sau din

materiale nemetalice.

Astfel de aparate sunt folosite n special pentru schimbul de cldur ntre gaze, de exemplu n

instalaiile pentru condiionarea aerului.

10

Dezavantajele acestor schimbtoare sunt c nu pot fi folosite la presiuni mari i se cura greu

[19].

2.2.1.7. Schimbtoare de cldur cu aripioare

Cnd coeficienii (pariali) de transmitere ai celor dou fluide ntre care se face schimbul

de cldur sunt mult diferii ntre ei, ca de exemplu ntre abur i gaze, transmiterea este mult

mbuntit mrind aria suprafeei de transmitere de partea fluidului cu coeficient de transmitere

mic. Se realizeaz acest deziderat construind schimbtoarele de cldur cu aripioare longitudinale

sau transversale, prin turnare sau prin sudare. Cele mai rspndite i mai uor de confecionat

sunt schimbtoarele din evi de oel pe care se sudeaz aripioare (nervuri) longitudinale sau

discuri transversale din tabl.

Astfel de evi, reunite mai multe n paralel i n serie ntr-un schimbtor de cldur,

servesc n special ca radiatoare n instalaiile de calorifer cu abur (uneori i cu ap cald) [12].

Figura 2.6 evi cu nervuri lamelare

2.2.1.8. Schimbtor de cldur cu dou tuburi

Schimbtorul de cldur cu dou tuburi are o construcie n form de U, reprezentat de

doua conducte care sunt conectate printr-o punte comun.

11

Figura 2.7 Schimbtor de cldur cu dou tuburi

2.2.1.9. Schimbtoare de cldur cu fascicule de evi rsucite

Greutatea principal n construcia schimbtoarelor de cldur cu fascicule de evi rsucite

este etanarea lateral a celor dou spaii. Sunt patru posibiliti:

Etanarea se face prin garnituri ntre mariginile tablelor ndoite i pereii laterali plan,

innd seama de suprafaa relativ mare a pereilor laterali, etanarea este defectuoas, n

schimb, vizitarea i posibilitatea de curire interioar, dup demontarea pereilor laterali,

este o operaie uoar, de aceea acest tip este folosit cnd, din cauza depunerilor, sunt

necesare curiri frecvente i cnd eventualitatea celor dou fluide, prin neetanarea

garniturii, nu este dauntoare;

Unul din spaiile rsucite se nchide definitiv prin sudarea mariginilor; separarea celor

dou spaii este perfect, unul din spaii este uor de curit dup demontarea pereilor

frontali, dar spaiul nchis nu poate fi curit dect cu mijloace chimice; se folosete cnd

unul dintre fluide este ntotdeauna curat i cnd cellalt fluid formeaz depuneri i cruste;

Fiecare din cele dou spaii este sudat la una din margini, iar cealalt se etaneaz prin

garnitur; dei curirea interioar este mai greoaie, fiecare spaiu este vizitabil;

Etanarea se face prin manete speciale.

Schimbtoarele de cldur spirale au avantaje importante:

a) fluidele circul prin spaiul spiral cu seciune (dreptunghiulara) constant, far variaie de

vitez i fr locuri cu circulaie lene unde de obicei se acumuleaz depuneri i se

produc coroziuni;

12

b) viteza constant a fluidelor i lipsa schimbrilor brute de direcie, fac ca energia necesar

pentru pompare s fie mult redus sau fac posibil folosirea vitezelor mai mari, la aceeai

energie de pompare, cu avantajul mbuntirii coeficientului de transmitere;

c) distana relativ mic dintre cele dou table ndoite, turbulena rezultat din vitezele mari,

lipsa depunerilor i grosimea redus a tablelor, mresc valoarea coeficientului total de

transmitere pn la aproximativ 3500 W/m2 grd;

d) dispunerea n spirale paralele a tablelor separatoare realizeaz o mare concentrare a

suprafeei de transmitere (pana la 80 m2/m3), innd seama i de coeficientul de

transmitere care este de aproximativ patru ori mai mare dect la schimbtoarele tubulare,

rezult ca eficien unui metru cub de schimbtor spiral este echivalent cu cea a unei

suprafee de cel puin 150 m2 de schimbtor tubular.

Aceste avantaje fac ca schimbtorul spiral s gaseasc mereu noi aplicaii, de exemplu:

recuperarea cldurii chiar la diferene de temperatur de cteva grade devine convenabil [14].

Figura 2.8 Schimbtor de cldur cu fascicul de evi rsucite

2.2.1.10. Schimbatoare de caldura cu tuburi termice

Tubul termic este o incint etan (cel mai des sub form de eav nchis la cele dou

capete) care conine un lichid n echilibru cu vaporii si, n absena total al aerului sau al altui

gaz.

Primul brevet privind tubul termic este datorat americanului Gangler (1942), dar adevrata

sa natere este n anul 1964 n urma articolului publicat de americanii Grover, Cotter i Erickson.

13

Datorit utilizrii fenomenelor de vaporizare i condensare al fluidului interior,

conductivitatea termica al tubului termic este de sute sau chiar de mii de ori mai mare ca al unui

conductor metalic omogen avnd acelai volum.

n zona nclzit al tubului (vaporizator) se afl lichidul vaporizator, vaporii formai aici

deplasndu-se spre zona rece (condensator) unde condenseaz. Dup modul de rentoarcere al

condensatului spre vaporizator tuburile termice pot fi cu umplutur capilar (figura 2.9) sau

gravitaionale (fr umplutur) (figura 2.10)

Figura 2.9 Tub termic cu umplutur

Figura 2.10 Tub termic gravitaional (termosifon)

n primul caz condensatul se rentoarce spre vaporizator datorit efectului capilar al

umpluturii poroase care captuete peretele interior al tubului. n cel de al doilea caz circulaia

condensatului se asigur datorit efectului gravitaiei (termosifon).

14

Zona situat ntre vaporizator i condensator i care nu schimb cldura cu exteriorul este

numit zona adiabatic i poate avea o lungime variabil ntre civa centimetri i civa metri.

Principalele probleme care trebuie avute n vedere la construcia unui tub termic sunt

alegerea fluidului interior, al materialului tubului i al tipului de umplutur [15].

2.2.2 Schimbtoare de cldur cu schimbare de faz

Condensatoarele folosite n industria alimentar i cea chimic sunt formate de obicei din

serpentine prin care circul vaporii care trebuie condensai, scufundate ntr-un vas cu ap de

rcire sau de exemplu la mainile frigorifice, din serpentine cu suprafee extinse n exteriorul

crora circul aerul de rcire. Unele dintre cele mai mari condensatoare sunt folosite n

termocentrale, la condensarea aburului evacuat de turbinele de abur, n vederea realizrii unei

presiuni ct mai sczute la ieirea din turbin.

Figura 2.11 Schema unui condensator.

Condensatoarele de suprafa permit realizarea unor presiuni foarte mici (un vid foarte

naintat), iar condensatul obinut este foarte pur, fr aer. Ele sunt formate dintr-o manta i un

fascicul tubular format din evi cu diametrul de 1724 mm i grosimea peretelui de 0,51 mm,

din alam sau titan, fixate prin mandrinare n dou plci tubulare. Drept mediu de rcire, care

circul prin interiorul evilor, se folosete n general apa i foarte rar aerul. Aburul condenseaz

15

pe suprafaa exterioar a evilor. Pentru a evita scurgerea condensatului n jos din eav n eav,

ceea ce ar mri grosimea peliculei de ap pe eav i ar nruti schimbul de cldur, ntre evi

sunt plasai din loc n loc perei despritori care dirijeaz scurgerea condensatului.

evile condensatoarelor sunt supuse fenomenelor de coroziune i de colmatare. La

condensatoarele cu evi de titan, att depunerile pe pereii interiori ai evilor, ct i coroziunea

cauzat de microorganismele din ap este mult mai mic, iar curirea interioar a evilor se

poate face mult mai uor. Curirea se poate face cu perii de nailon sau cu bile de cauciuc. Dac

aceste evi nu se pot cura ele se nfund cu dopuri la capete. Se admite nfundarea doar a 34

evi la fiecare mie. Dac acest numr crete, ele trebuie nlocuite [16].

2.3 Schimbtoare de cldur de tip regenerativ

Schimbtoarele 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 nclzit periodic de fluidul cald, iar apoi cedeaz cldur

primit fluidului rece. Uzual umplutura este din materiale ceramice sau din materiale metalice, de

obicei oel. Curgerea fluidelor este organizat de obicei n contracurent. Cele mai cunoscute

schimbtoare de cldur regenerative sunt cele de tip Cowper i prenclzitoarele rotative ale

generatoarelor de abur energetice i ale unor turbine cu gaze [17].

2.3.1 Cowpere

Regeneratoarele Cowper se folosesc n metalurgie, la prenclzirea 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.

nclzirea aerului se poate face recupernd cldura din gazele de furnal, care au la ieirea din

furnal o temperatur foarte nalt, de 15501650 C. Instalaia care asigur transferul cldurii 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 schimbtoare de cldur se construiesc

sub forma unor turnuri umplute cu crmizi refractare, amplasate decalat, cu spaii ntre ele, prin

care circul gazele, respectiv aerul. Se pot folosi crmizi de form obinuit, dar exist forme de

16

crmizi mai eficiente, care reduc pierderile de presiune, deci energia consumat de suflantele

care asigur circulaia fluidelor. Materialele folosite la crmizi au drept component principal

alumina (Al2O3) sau forsterita (Mg2SiO4).

Figura 2.12 Regeneratoare Cowper.

La fiecare furnal exist cel puin dou turnuri, dar de obicei mai multe. Prin unul din ele

circul gazele de furnal i nclzesc umplutura, iar prin cellalt, deja cald, circul aerul, care se

nclzete de la umplutur. Cnd temperatura turnului nclzit crete suficient, iar cea a turnului

care nclzete a sczut, se comut funcionarea turnurilor, cel care a fost nclzit de gaze devine

nclzitor de aer, iar cel care a nclzit aerul va fi nclzit de gazele de furnal [23].

Figura 2.13 Exemplu de instalaie de furnal cu cinci regeneratoare Cowper.

17

2.3.2 Prenclzitoare rotative

Prenclzitoarele de aer regenerative sunt folosite n cazul generatoarelor de abur foarte

mari i la instalaiile de turbine cu gaze staionare. Acestea lucreaz la temperaturi mult mai mici

dect cele necesare la furnale. Suprafaa de schimb de cldur este format dintr-un cilindru,

rotativ (prenclzitoare de tip Ljungstrm) sau fix (prenclzitoare 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 coninut

mare de sulf, n partea final a prenclzitorului 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 [23].

Figura 2.14 Prenclzitor rotativ de tip Ljungstrm n construcie.

2.4 Schimbtoare de cldur cu contact direct

Schimbtoarele de cldur cu contact direct sunt caracterizate de absena suprafeei de

schimb de cldur, agenii termici intrnd n contact direct, realizndu-se de obicei i un transfer

18

de mas. n majoritatea cazurilor, acestea sunt aparate cu funcionare continu. Aplicaiile acestor

aparate se regsesc cu precdere n industriile chimice, petrochimice, metalurgice, .a. cum ar fi:

transport pneumatic sau transport de particule prin intermediul unui fluid;

reacii de natur chimic prin intermediul straturilor fluidizate sau a sistemelor disperse n

curgere;

transferul de mas combinat cu transferul de cldur (exemplu: distilarea) ;

rcirea gazelor umede sub temperatura de rou.

Avantajul principal al transferului de cldur prin contact direct este evident legat de

dispariia riscurilor de depuneri i coroziune, la care se adaug pierderi de presiune reduse,

suprafee de interfa ajustabile i coeficieni buni de transfer de cldur. Apar ns diverse

probleme specifice cum ar fi compatibilitatea fizico-chimic a fluidelor (imiscibilitate, inertie

chimic) i separarea lor dup schimbul de cldur.

Se disting doua mari categorii de schimbtoare de cldur cu contact direct: cu amestec

sau cu barbotare.

n cazul schimbtoarelor de cldur de contact direct cu amestec, agenii termici vin n

contact direct n prezena interfeei, transferul de cldur ntre cele dou medii realizndu-se prin

aceasta.

Din punct de vedere constructiv schimbtoarele de cldur cu amestec se pot mpri n

urmtoarele grupe:

coloane sau camere fr umplutur, n care lichidul este pulverizat ntr-un gaz, de obicei umed

(Figura 2.15 a);

aparate n cascada (scrubere), care au n interior o serie de plci orizontale sau nclinate, care

foreaz lichidul ca n drumul lui s treac icanat de pe o plac pe alt (Figura 2.15 b);

coloane cu umplutur (Figura 2.15 c), n care contactul ntre cei doi ageni termici se realizeaz

pe suprafaa umpluturii ;

19

aparate cu jet (Figura 2.15 d), n care nclzirea apei se realizeaz cu ajutorul aburului folosit fie

ca fluid motor, fie ca fluid antrenat;

aparate peliculare sau scrubere peliculare (Figura 2.15 e), n care apa se poate nclzi cu ajutorul

aburului pn aproape de temperatura de saturaie al aburului;

aparate cu spum folosite, n special, pentru captarea din gaze al prafului hidrofob (Figura 2.15

f).

Figura 2.15 a, b, c, d, e Schimbtoare de cldur

Schimbtoare de cldur cu barbotare (cu contact direct volumic) sunt caracterizate de

introducerea forat a unui agent n masa celuilalt. Principiul consta n injectarea sub form

dispersa a unui fluid (faza dispersat), sub aciunea gravitii, ntr-un mediu continuu (faza

continu) de fluid aflat n circulaie sau repaus. Faza continu este gazoas sau lichid, iar cea

dispers este un gaz, un lichid sau un solid. Suprafaa de schimb de cldur S disponibil depinde

de diametrul particulelor, d, i de coeficientul de reinere , care caracterizeaz volumul de fluid

dispersat, prezent n aparat la un moment dat. Se definete astfel aria suprafeei de interfaze ca

raportul dintre suprafaa de schimb de cldur S i volumul V al mediului continuu:

20

n cazul unui contact lichid-lichid, valori uzuale ale ariei de suprafe interfacial sunt de

aproximativ 1500 m2/m

3.

Indiferent de natura fazelor dispersate i continue, calitate transferului de cldur este n

principal dictat de hidrodinamica procesului. Trebuie astfel asigurat o bun repartiie a fazei

dispersate i trebuie evitat recircularea pentru conservarea unei bune eficaciti al transferului de

cldur.

Separarea fazelor este simpl n cazul dispersiei unei faze solide ntr-un gaz ca i n cel a

unei dispersii lichid-lichid datorit diferenei de greutate specific. Separarea devine mai

complicat cnd faza dispersat este solida, iar faza continu lichid, fiind necesar n acest caz

utilizarea, de exemplu, al unei site sau a unei centrifuge.

2.5 Schimbtoare de cldur de transfer n linie (TLX)

Etilena i alte olefine sunt obinute din cracare termic folosind ca materii prime gazoase,

etanul, propanul, GPL, sau lichide, nafta, petrol gaze sau produse de la hidrocracare.

Procesul de cracare se produce n zona radiant al unui cuptor de piroliz n condiii de presiune

sczut i temperaturi cuprinse ntre 750 C i 900 C n funcie de materia prim folosit.

Produsul reactiv de cracare trebuie rcit, cu ajutorul unui quench, sub o temperatur

critic la o durata de staionare scurt, de milisecunde pentru a oferi cel mai mare randament.

Domeniul de temperatur critic, pentru producerea de etilen, se afl ntre 650 C i 700 C .

21

Figura 2.16 Schimbtoare de cldur de transfer n linie (TLX)

Rcirea rapid sau quench se realizeaz n schimbtoare de cldur de transfer n linie (TLX)

n cazul n care coninutul mare de cldur este utilizat pentru a produce abur de nalt

presiune.Aceste schimbatoare se folosesc in piroliza hidrocarburilor [24] .

Figura 2.17 Rcitoarele de gaz cracat TLE.

22

Modernizarea schimbtoarelor de cldur

3.1 Schimbtoare de cldur multitubulare

Aceste aparate sunt construite n principiu dintr-un fascicul de evi, montate n dou plci

tubulare i nchise ntr-o manta prevzut cu capace.

n general evile sunt laminate i destinate special construciei schimbtoarelor de cldur.

Cele mai utilizate materiale sunt:

- oeluri pentru temperaturi medii sau joase;

- cupru;

- aliaje cupru-nichel n diferite compozitii (de exemplu 70/30%, sau 90/10%);

- aliaje cupru-aluminiu n diferite compoziii (de exemplu 93/7%, sau 91/9%);

- diferite tipuri de aliaje cu zinc ntre 22 si 40%;

- oeluri inoxidabile.

Exist o mare varietate de diametre pentru care sunt produse aceste evi, dar n general,

pentru schimbtoarele de cldur se prefer evi cu diametre ct mai mici, care asigur un transfer

termic mai intens i construcii mai compacte, dar se vor avea n vedere i aspectele legate de

pierderile de presiune i de colmatare.

Utilizarea intens n ultimii ani a freonilor, caracterizai prin coeficieni de transfer termic

mai redui, a dus ntre altele i la producerea de schimbtoare multitubulare, dar nu numai, n

care se utilizeaz evi speciale pentru mbuntirea condiiilor de transfer termic.

3.2 evi speciale pentru mbuntirea transferului termic

n figura 3.1 sunt prezentate evi cu nervuri spiralate, care se utilizeaz n special la

construcia vaporizatoarelor:

23

Figura 3.1 evi cu nervuri spiralate

n figura 3.2 este prezentat o eava cu nervuri exterioare joase, realizate prin extrudare,

din materialul de baz al evii. Dup extrudare, diametrul exterior al parilor lise ale evilor, este

egal cu diametrul exterior al nervurilor, ceea ce permite o montare uoara n plcile tubulare.

Pasul dintre nervuri este n mod uzual de (0,81,5) mm, iar nlimea nervurilor este de

aproximativ (11,5) mm. Aceste evi pot s asigure un raport ntre suprafaa exterioar al evilor

nervurate i suprafaa interioar al acestora de 35, ceea ce reprezint o cretere semnificativ a

suprafeei exterioare de transfer termic.

Figura 3.2 eava cu nervuri joase, obtinue prin extrudare

n figura 3.3 sunt prezentate cteva tipuri de evi cu aripioare ondulate. Aceste evi se

utilizeaz n special la construcia vaporizatoarelor. Pe eava de baz se monteaz prin sudare

elicoidal, o band ondulat. Asemenea construcii se pot realiza pentru evi avnd diametre ntre

(839) mm. nlimea nervurilor este de 9 mm, iar grosimea acestora variaz ntre 0,20,3 mm.

Raportul dintre suprafaa exterioara i cea interioar este de 916.

24

Figura 3.3 evi cu nervuri ondulate

n figura 3.4 este prezentat o eav cu nervuri n form de ace. Acestea se utilizeaz n

special la construcia condensatoarelor. Exteriorul evilor se aseaman cu o perie metlic, ceea ce

asigur o suprafa i o intensitate al transferului termic, foarte ridicat. Aceste tipuri de evi sunt

eficiente n primul rnd pentru transferul cldurii n medii gazoase i n particular n aer.

Figura 3.4 eav cu nervuri aciforme

n figura 3.5 sunt prezentate cteva evi cu miez n form de stea, care se utilizeaz la

construcia vaporizatoarelor cu fierbere n interiorul evilor. Suprafaa interioar este mrit prin

introducerea n evi a miezurilor realizate din aluminiu i avnd uzual cinci sau zece raze.

Problema tehnic a realizrii acestor evi o reprezint asigurarea contactului termic dintre eava

de baz i miez, realizat prin introducerea forat a miezului. Intensitatea transferului termic este

mrit dac se realizeaz i rsucirea miezului de 23 ori pe fiecare metru de eav.

25

evile cu miez n form de stea pot avea diametre de 1619 mm i grosimea de 1 mm.

Raportul dintre suprafaa interioar i cea exterioara este de 2 n cazul miezurilor cu 5 raze i 3,7

n cazul miezurilor cu 10 raze.

Figura 3.5 evi cu miez n form de stea

n figura 3.6 sunt prezentate cteva modele de evi cu nervuri interioare. Aceste evi se pot

utiliza i la vaporizatoare i la condensatoare. Nervurile sunt realizate din eava de baz, ceea ce

asigur un transfer termic foarte bun. Exist numeroase forme ale nervurilor i grade de rsucire.

Fa de evile lise, coeficientul global de transfer termic crete mult datorit urmtoarelor efecte:

- creterea suprafeei de transfer termic;

- drenajul prin capilaritate a fazei lichide, care formeaz un film subire pe suprafaa interioar

nervurat;

- rotirea filmului de lichid, datorit rsucirii (nclinrii) nervurilor.

Figura 3.6 evi cu nervuri interioare

26

n figura 3.7 sunt prezentate dou evi cu suprafa neregulat montate una n alta.

Asemenea evi se pot utiliza eficient n construcia condensatoarelor i a vaporizatoarelor, sunt

foarte moderne i se produc n Japonia, SUA, Germania sau Frana. Suprafeele evilor prezint

diferite tipuri de caviti, proeminente piramidale sau asperiti, realizate prin diverse procedee

tehnologice noi. Suprafeele neregulate ale acestor evi pot intensifica transferul termic n cazul

schimbrii strii de agregare, pentru c favorizeaz amorsarea fierberii, respectiv al condensrii.

Din acest motiv aceste evi mai sunt numite i evi de nucleaie [23].

3.3 Schimbtorului de cldura cu fascicul prin evi rsucite

Acest schimbtor de cldur este originar din Europa de Est i a devenit disponibil pe plan

comercial n Scandinavia la mijlocul anilor 1980. A fost dezvoltat mai ales pentru a depi

limitrile inerente ale schimbtoarelor de cldur multitubulare convenionale.

Schimbtorul de cldur cu fascicul de evi rsucite const dintr-un fascicul de evi cu

form unic asamblate ntr-un fascicul.

Figura 3.8 Schimbtor de cldur cu fascicul de evi rsucite

Figura 3.7 evi cu suprafee neregulate

27

evile sunt asamblate ntr-un fascicul pe o diviziune triunghiular, fiecare eav fiind

aliniat astfel nct evile s se afle n contact cu alte evi adiacente n multe puncte de-a lungul

evilor. Fasciculul complet este legat strns pentru a mpiedica micarea evilor.

3.3.1 mbuntiri al schimbtorului de cldur cu fascicul tubular i evi rsucite

nlocuirea curentului de tip dus-ntors cu unul unidirecional aduce un ctig mult mai

mare al coeficientului de cldur de transfer. mbuntiri semnificante ale performanei pot fi

realizate prin folosirea unui fascicule de evi rsucite.

Figura 4.9 Aliniamentul i suportul evilor

Eficacitate termic ridicat

Reducerea depunerilor i curare mai uoar

Performan termic i hidraulic

Avantajele utilizrii evilor rsucite n construcia noilor schimbtoare de cldur:

Performanta tehnic i hidraulic

Eliminarea punctelor moarte i creterea turbulenelor rezult n reducerea depunerilor.

Depunerile de particule sunt reduse prin splare. Alte tipuri de depuneri sunt prevenite prin

reducerea punctelor de turbulene

28

Figura 3.10 Traiectoria curentului de fluid prin eav

Eliminarea vibraiilor

Vibraiile generate de cureni apar n schimbtoarele de cldur convenionale. Aceste

vibraii sunt eliminate din schimbtoarele de cldur cu fascicule de evi rsucite de ctre

curentul axial i din cauza faptului c evile au puncte de sprijin la fiecare 2 inch de-a lungul

evii.

Figura 3.11 Curent ntrerupt cu vrtejuri prin nveli

3.3.2 Aplicaii

Peste 400 de schimbtoare de cldur cu fascicule de evi rsucite au fost construite i

livrate. Acestea sunt folosite n numeroase domenii, cum ar fi: industria chimic, industria

petrolier, indistria de celuloz i hrtie, industria energetic, prelucrarea oelului, minerit i

procesarea minereurilor, termoficare.

29

Figura 3.12 Fascicul cu evi rsucite terminat

3.4 Schimbtor de cldur n form de U

n figura 3.13 este redat schema unui schimbtor de cldur n form de U.

Figura 3.13 Schimbtor de cldura n form de U

Modernizrile unui schimbtor de cldur n form de U sunt:

Este alctuit din dou plci tubulare unite printr-o punte comun pentru diferene

mari de temperatur;

Toate icanele sunt sudate n interiorul construciei;

Nu are uruburi interne, toate sunt prin ancorare;

30

Legatura dintre tub i plac sunt pe acelai scop pentru uurina de instalare pe

conducte;

Ramificaia de tip U are raza mare pentru dilatare termic i o curare uoar a

tubului lateral;

nchidere accesibil pentru servicii de nalt presiune;

Diametru mare de pn la 32 inch sau mai mult;

Suport de alunecare pentru a permite expansiunea termic a plcilor;

Flux contracurent pentru a maximiza diferena de temperatur;

Reducerea de suprafa;

Adaptabilitatea de la punctul unic al seciunii de configuraie;

Dou conducte pentru reziduuri i servicii de nalt calitate.

3.5 Schimbtor de cldur cu clap de ncrcare

Acest tip de schimbtor de cldur a fost inventat i dezvoltat n 1960 de ctre Compania

Standard Oil din California. Primul tip de schimbtor de cldur a fost pus n funciune n 1966.

Figura 3.14 Schimbtoare de cldur care funcioneaz la temperaturi de pn la 450 oC

31

Figura 3.15 Schimbtoare de cldur care funcioneaz la temperaturi de pn la 200 oC

Schimbtorul de cldur cu clap de ncrcare care funcioneaz la temperaturi i presiuni

ridicate, are aplicaie n operaiile de hidrocracare, compresia gazelor, sinteza amoniacului.

mbuntiri:

Numr minim de flane unite datorit utilajelor de construcii integrale cu piese de

schimb;

Nu prezint guri filetate n foraj sau n schelete;

Restrngerea garniturii plcii tubulare n timpul operaiei posibile;

Toate prile canalului pot fi nlturate fr tiere;

Nu este necesar sudarea din timpul reinstalrii pieselor de legtur [25].