„Schimbătoare de căldură” – Cursul nr. 4

Cap. 2SCHIMBATOARE DE CALDURĂ CU ŢEVI ŞI MANTA

2.1. Noţiuni introductive

Schimbătoarele de căldură cu ţevi şi manta reprezintă tipul cel mai răspвndit оnindustrie datorită simplităţii sale constructive, fiabilităţii ridicate şi costului

relativ scăzut. Schimbătoarele de căldură tubulare sunt denumite, оntr-oaccepţiune mai largă aparate tubulare. Aparatele tubulare, sunt compuse din

subansambluri şi elemente asemănătoare din punct de vedere constructiv:

fascicul tubular, capace, flanşe, mantaua, racordurile, elemente compensatoare de

dilataţie etc.

Cel mai simplu este schimbătorul de căldură cu fascicul tubular rigid, figura 1

redă construcţia de principiu a unui schimbător de căldură tubular оn care sensul

de deplasare a agenţilor de lucru este оn echicurent. De regulă, agentul оncălzitor

circulă prin ţevi, iar cel care se оncălzeşte printre ţevile care constituie şi

suprafaţa de schimb de căldură. Aceste aparate sunt simple constructiv şi ieftine,

оn schimb au dezavantajul unei arii de transfer termic relativ mici pe unitatea devolum, pot fi utilizate cвnd оntre fluidul cald şi cel rece este o diferenţă mică detemperatură pentru a se evita tensiunile termice care se regăsesc prin diversele

dilatări оntre ţevi şi manta, un alt dezavantaj оl reprezintă imposibilitatea de a

scoate blocul de ţevi pentru curăţare. Aceste inconveniente pot fi eliminate prin

alegerea altor soluţii constructive pentru schimbătorul de căldură.

t2

t1

t′2

Fig. 1. Schimbător de căldură multitubular

1

t′1

2

Оn figura 2 se prezintă şicanele tip segment, frecvent utilizate оn construcţia

schimbătoarelor de căldură.

Diafragma

Ţeavă

Secţiune prin diafragmă

Disc

Secţiune prin diafragmasub formă de disc

DIAFRAGMĂ PLINĂ

Manta

DIAFRAGMĂ TIP DISCŞI INEL

Secţiune prin zona liberă

Inel

Secţiune prin diafragmasub formă de inel

Secţiune prin diafragmă DIAFRAGMĂ TIP SEGMENT

Fig. 2. Tipuri de diafragme

Pentru a mări viteza si turbulenţa agentului termic dintre ţevi, оn spaţiul dintreţevi snteontează şicane acestea determină mărirea vitezei agentului termic,

оndreptвndu-l perpendicular pe ţeavă, asigură participarea оntregii suprafeţe a

fasciculului tubular la transferul de căldură, susţine şi rigidizează fasciculului

tubular.

Оn figura 3 se prezintă două tipuri de schimbătoare de căldură de suprafaţă de tip

tubular, оn care unul sau ambii agenţi termici se deplasează prin cвteva căi,

schimbвndu-şi succesiv sensul de mişcare.

2

t2

t1

a.

t′1

t′2

t1

t′1 t′2

b.

t2

Fig. 3. Schimbător de căldură multitubular cu schimbarea sensului de curgere

a agentului de lucru

Aparatul din figura 3.a prezintă particularitatea că fasciculul de ţevi este оmpărţit

оn mai multe secţiuni sau treceri prin pereţii verticali, procedeu prin care unul din

agenţii de lucru (de regulă fluidul care se оncălzeşte) este obligat să curgă

succesiv prin toate secţiunile, modificвndu-şi sensul de mişcare.

Оn figura 3 b agentul оncălzitor оşi modifică direcţia de deplasare o singură dată

prin montarea plăcii separatoare оn zona de intrare a fluidului оncălzitor la nivelul

diametrului mantalei. Existenţa şicanelor pe traseul fluidului ce se оncălzeşte va

creşte durata de contact оntre acestea şi suprafaţa de schimb de căldură ceea ce va

determina majorarea eficienţei aparatului.

Nu se recomandă un număr prea mare de treceri, deoarece diafragmele ocupă o

parte din suprafaţa plăcii tubulare, ceea ce face ca pe aceasta şi se poată amplasa

un număr mai mic de ţevi.

2.2. Clasificarea constructivă

Schimbătoarele de căldură tubulare se pot clasifica după multe criterii: poziţie,

tipul curgerii, agenţi de lucru, număr de treceri, etc. O clasificare importantă este

cea propusa de Asociaţia Constructorilor de Schimbătoare de Căldura Tubulare

TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Asociation) şi este o clasificare pe

bază de litere оn funcţie de trei criterii principale: construcţia capacului de

distribuţie fix al aparatului; construcţia şi modul de circulaţie al agentului termic

оn spaţiul dintre ţevi şi manta şi tipul capacului de capăt (Tabelul 1).3

Tabelul 1. Clasificarea TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Asociation) pentruschimbătoare cu ţevi si manta

TIPUL CAPACULUI DEDISTRIBUŢIE

A

TUBULAR DEMONTABIL

B

ELIPSOIDAL SUDAT

C

TUBULAR DEMONTABIL

CU FASCICOL DE ŢEVI

N

TUBULAR FIX CU CAPAC

DEMONTABIL

D

SPECIAL PENTRUPRESIUNE RIDICATĂ

E

F

G

H

J

K

X

TIPUL MANTALEI

CU O TRECERE

CU DOUĂ TRECERI ŞICANĂLONGITUDINALĂ

CU CURGERE SEPARATĂ

CU CURGERE DUBLĂ

CU CURGERE DIVIZATĂ

TIP BOILER

CURGERE ОNCRUCIŞATĂ

4

L

M

N

P

S

T

U

W

TIPUL CAPACULUI DECAPĂT

IDENTIC CU CAPACUL DEDISTRIBUŢIE „A”

IDENTIC CU CAPACUL DE

DISTRIBUŢIE „B”

IDENTIC CU CAPACUL DEDISTRIBUŢIE „C”

CU CAP MOBIL ŞI PRESETUPĂ

EXTERIOARĂ

CU CAP MOBIL ŞI INEL DEMONTABIL

CU CAP MOBIL

CU ŢEVI „U”

CU CAP MOBIL ОNCHIS

EXTERIOR

2.3. Construcţia şi calculul elementelor specifice aparatelor tubulare

Diametrul interior al ţevii se alege din considerente funcţionale bazate pe viteza

lichidului prin ţevi, pericolul depunerilor pe perete, existenţa e particule solide оn

suspensie оn unul din fluidele de lucru, etc.

Ţevile din oţel carbon sau aliat, trase sau laminate, la rece pentru fascicolul

tubular se iau uzual cu diametrul cuprins оntre 16 ч 57 mm, deşi există şi ţevi de

diametre mai mari, ele se utilizează pentru gaze sau lichide vвscoase, cele mici

pentru fluide curate. Ţevile cu diametre sub 20 mm se mandrinează mai greu.

Lungimile normale de fabricare ale ţevilor din oţel sunt de 1,5 ч 9 m, iar

grosimile pereţilor sunt cuprinse оntre 1,5 ч 8 mm, se preferă de obicei grosimea

de 2 ч 3 mm.

Ţevile din fontă sau din materiale ceramice, din considerente de fabricaţie au

diametrul cuprins оntre 50 ч 100 mm şi lungimi de 2 ч 3 m.

Ţevile din cupru, alamă şi aluminiu se fabrică cu diametrul de 18 ч 70 mm (оn

cazul schimbătoarelor de căldură din instalaţiile de oxigen, pentru a rezista la

presiuni mari se realizează ţevi cu diametrul 6 ч 10 mm). Pentru ţevile de titan

grosimea peretelui se limitează la 1 mm.

Numărul n şi lungimea ţevilor l rezultă din aria de transfer termic necesară S şi

debitul m al agentului termic primar:

l =S

P(1)

unde: P = π⋅de⋅n – perimetrul tuturor ţevilor; n = m 42

; v – viteza agentului

v πdi

primar (0,3 ч 2 m/s pentru lichide şi 8 ч 25 m/s pentru gaze), de, di – diametrulexterior şi diametrul interior al ţevii.

Dacă l > ls, unde ls este lungimea aleasă pentru fasciculul tubular (de obicei 1,5;

2; 3; 4 şi 6 m), se recurge la un schimbător de căldură cu mai multe treceri, оn

număr de:

i =

5

l

ls

(2)

Pentru schimbătoarele de căldură cu ţevi оn formă de U (figura 4), curbarea

ţevilor se fa efectua astfel оncвt fascicolul tubular să fie cвt mai compact. Raza de

curbură Rc (figura 4 b) reprezintă un multiplu al diametrului nominal al ţevii dn

(Rc/dn = 2,5; 3; 4; 5; 7 şi 10).

t1 t2

l

de

Rc

t′1 t′2 a. b.

Fig. 4. Schimbător de căldură cu ţevi оn formă de U (a); detaliu ţeavă (b)

Grosimea peretelui ţevii, оn planul curbării, se micşorează la fibra оntinsă. Ca

urmare grosimea iniţială a peretelui ţevii s trebuie să fie mai mare decвt grosimea

screzultată din proiectare:

s = sc⎛1+de ⎞

(3)⎜⎜ 4R ⎟⎟

⎝ c ⎠

Subţierea peretelui ţevii la curbare оn U trebuie să reprezinte mai puţin de 17%

din sc.

Aria de transfer termic efectiv a tuturor ţevilor este:

Se= ⋅πdi⋅ l n

(4)

Aria S este cu atвt mai mare cu cвt diametrul ţevilor este mai mic, costul unui

fascicol tubular scade cu micşorarea diametrului şi cu creşterea lungimii ţevilor.

Totuşi, ţevile cu diametru foarte mic nu pot fi uneori utilizate, datorită

vвscozităţii mari a lichidului, depunerilor mari sau corodări intense a pereţilor.

Placa tubulară realizează fixarea fascicolului tubular, este prevăzută cu un

număr necesar de orificii şi este оn general o placă plană, sunt unele cazuri cвnd

se utilizează construcţii sferice sau elipsoidale. Placa tubulară se construieşte

dintr-o bucată, оn cazuri deosebite se poate recurge la o placă tubulară dublă.

6

Dispunerea ţevilor оn placa tubulară se face după reţele de hexagoane, de

triunghiuri isoscele, de pătrate, de cercuri concentrice оn funcţie de destinaţie.

Fig. 5. Dispunerea ţevilor оn placa tubulară după reţea de:a. hexagoane regulate; b. pătrate; c. cercuri concentrice.

Reţeaua de hexagoane regulate (figura 5 a) sau de triunghiuri echilaterale are un

număr de ţevi:

n = 3a(a − +1) 1

(5)

unde: a este numărul de ţevi de pe latura celui mai mare dintre hexagoane. Pe

diagonala hexagonului celui mai mare, există un număr de ţevi b = 2a −1 . Pentru

a mări gradul de utilizare a suprafeţei plăcii tubulare (a > 7), se introduc dincolo

de laturile ultimului hexagon оncă un număr de ţevi suplimentare.

Reţeaua de pătrate (figura 5 b) este mai rar utilizată, numărul de ţevi al reţelei

este n = a2, la a > 6 оn zonele superioare se introduc ţevi suplimentare.

Reţeaua ce cercuri concentrice (figura 5 c) se utilizează mai rar la un număr

mare de ţevi, datorită unei compactităţi insuficiente a fascicolului tubular şi

trasării mai dificile a plăcii tubulare.

Amplasarea ţevilor оn placa tubulară ţinвnd seama de direcţia şi sensului curgerii

fluidului se face conform figurii 6.

Fig. 5. Dispunerea ţevilor şi sensul curgerii exterioare a fluidului de lucru

7

sen

sul d

e c

urge

re

sen

sul d

e c

urge

re

sen

sul d

e c

urge

re

sen

sul d

e c

urge

re

Dispunerea ţevilor оn triunghi se utilizează cвnd sunt necesare suprafeţe de

transfer termic mari şi nu se folosesc dacă este necesară curăţirea mecanică din

exterior a fascicolului de ţevi. Amplasarea оn pătrate se utilizează оn cazul

curăţirii mecanice a fasciculului.

Оmbinarea dintre ţevi şi placa tubulară se poate face nedemontabilă sau

demontabilă, ea trebuie să fie etanşă şi să reziste la forţele axiale determinate de

presiune şi de temperatură. Asamblările nedemontabile se realizează prin

mandrinare, deformare hidraulică, sudare, explozie, lipire şi оncleiere.

Asamblările demontabile se realizează cвnd se prevede demontarea frecventă a

ţevilor, pentru curăţire sau оnlocuire sau cвnd ţevile sunt lungi şi sunt realizate

prin filetare.

Оn cazul оn care există o dilatare diferită a fascicolului de ţevi faţă de manta,

diferenţe mari de temperatură оntre fluidele de lucru, schimbătoarele de căldură

tubulare sunt prevăzute cu compensatoare de dilatare. Acestea sunt elemente

elastice introduse pe manta, de obicei se utilizează compensatoare lenticulare

(figura 6 a); la presiuni de peste 2 MPa şi diametre nominale de peste 1000 mm

se recurge la compensatorul toroidal (figura 6 b).

compensator dedilatare

compensator dedilatare

manta

a.

ţeavămanta

b.

Fig. 5. Compensatoare elastice:

a. lenticular; b. toroidal.

Racorduri de alimentare, evacuare. Pentru evitarea şocului provocat de acţiunea

jetului de fluid din racordul de alimentare asupra ţevilor apropiate, ca şi pentru

erodarea ţevilor, la unele tipuri de schimbătoare de căldură tubulare, se prevăd

plăci deflectoare оn dreptul racordului de alimentare cu fluid de lucru.

8