partial eit

8/3/2019 Partial EIT

1/20

#+1) Clasificarea schimbatoarelor de caldura.Schimbatoarele de caldura sunt aparate in care are loc transferul

caldurii de la un fluid cu o temperatura mai ridicata (agentul termic primar),catre un fluid cu o temperatura mai coborta (agentul termic secundar), inprocese de ncalzire, racire, condensare, vaporizare sau procese termicecomplexe.

1. Functie de modul de realizare al transferului de caldura;-Schimbatoare de caldura cu contact indirect (de suprafata)sunt aparate la care ceidoi agenti termici nu vin n contact direct ei fiind despartiti de o suprafata deschimb de caldura cu care vin n contact permanent sau periodic.

-Schimbatoare de caldura recuperativea) schimbator recuperativ teava n teavab) schimbator recuperativ cu tevi si mantac) schimbator de caldura cu placi (cu garnituri si sudate)d) schimbator de caldura spiral

-Schimbatoare de caldura regenerative

a)schimbator regenerativ cu umplutura fixa;b)schimbator regenerativ rotativ;-Schimbatoare de caldura cu strat fluidizat

-Schimbatoare de caldura cu contact direct sunt aparate la care agentiitermici nu mai sunt separati de o suprafata, ei amestecndu-se unul cucelalalt.

-Schimbatoare de caldura fara umplutura-Schimbatoare de caldura cu umplutura

2. Functie de tipul constructiv;-Schimbatoare de caldura recuperative

- tubulare - teava n teava- cu tevi si manta

- cu serpentine- plane - cu placi- spirale- lamelare

- cu suprafete extinse - cu placi nervurate- cu tevi nervurate

-Schimbatoare de caldura regenerative- cu umplutura fixa- cu umplutura mobila - rotative

- cu strat mobil- cu strat fluidizat

3. Functie de numarul de fluide;

- schimbatoare cu 2 fluide (marea majoritate);- schimbatoare cu 3 fluide;- schimbatoare cu mai mult de 3 fluide.4. Functie de starea de agregare a agentilor termici;- aparate fara schimbarea starii de agregare a agentilor termici;- aparate cu schimbarea starii de agregare a unui agent termic;- aparate cu schimbarea starii de agregare a ambilor agenti termici.5. Functie de compactitatea aparatului;


2/20

Compactitatea unui schimbator de caldura este caracterizata deraportul ntre suprafata sa de schimb de caldura si volumul sau.- schimbatoare compacte (compactitatea mai mare de 700 m2/m3);- schimbatoare necompacte (compactitatea mai mica de 700 m2/m3).

6. Functie de modul de realizare a curgerii;

a) contracurent - presupune ca cei doi agenti termici circula pe lngasuprafata de schimb de caldura paralel si n sensuri contrarii.b) echicurent - apare n cazul circulatiei agentilor termici, paralel si n acelasisens, pe lnga suprafata de transfer de caldura.c) curent ncrucisat presupune curgerea perpendiculara a celor doi agentitermici.

- curent incrucisat cu ambele fluide amestecate;- curent ncrucisat cu un fluid amestecat si celalalt

neamestecat;- curent ncrucisat cu ambele fluide neamestecate;

f) curgere compusa.7. Functie de destinatie;- prencalzitoare;- racitoare;- vaporizatoare;- generatoare de vapori;- racitoare frigorifice;- condensatoare;- boilere, etc.8. Functie de material.- metalice (fonta, otel, cupru, alama, otel inoxidabil, titan, etc.);- nemetalice (ceramice, sticla, grafit sau materiale plastice).

2) Ecuatiile calculului termic al schimbatoarelor decaldura.-Ecuatia de bilant termic:

-Forme particulare ale ecuatiei de bilant termic:

- coeficientul de retinere al caldurii:

- fluide bifazice:

- fluide monofazice:

-Ecuatia generala de transfer de caldura


3/20

+3) Determinarea diferentei medii logaritmice detemperatura pentru curgerea n contracurent, echi-curent.

+4) Diferenta medie de temperatura pentru curgerean curent ncrucisat si compus.

F=f(P,R)

5) Calculul termic de proiectare prin metoda -NTC.


4/20

1. Determinarea tuturor temperaturilor si debitelor necunoscute (dinecuatia bilantului termic);2. Calculul capacitatilor termice C1 si C2 si stabilirea marimilor Cmin,Cmax , C*;3. Calculul eficientei aparatului:

4. Determinarea grafica sau analitica a lui NTCmax, nfunctie de , C* si tipul ales de curgere;5. Determinarea coeficientului global de schimb decaldura KS;6. Determinarea suprafetei deschimb de caldura necesara:

#+6) Calculul termic de verificare prin metoda -NTC.

+7) Calculultermic deverificareprin metodaP-NTC2.


5/20

+8) Calculul termic cu metoda grafo-analitica.


6/20

Suma celor doua diferente de temperatura va fi diferenta de temperaturamedie n aparat:

La intersectia grafica a celor doua fluxuri termice unitare se determinavaloarea de calcul (qscalc), determinndu-se apoi imediat suprafata de schimbde caldura, S si coeficientul global de transfer de caldura, Ks:

+9) Alegerea capacului de distributie, capacului decapat si mantalei la schimbatoarele de calduratubulare (SCT).

Alegerea tipului de mantaCel mai utilizat tip de circulatie este cel cu o trecere (TEMAE), care

asigura cea mai ridicata diferenta de temperatura ntre agentii termici(factorul de corectie F este maxim) Atunci cnd avem un numar mare detreceri pe partea de tevi si factorul de corectie F scade, n loc sa se recurga ladoua aparate tip E n serie se poate utiliza un schimbator cu doua treceri prinmanta (TEMAF), desi prezenta sicanei longitudinale poate produce scurgeriimportante de fluid pe lnga sicana si nrautatirea coeficientului de transferconvectiv n aceasta zona.

Daca pierderea de presiune pe partea mantalei trebuie redusa sepoate utiliza o manta cu curgere dirijata (TEMAJ), la care pierderile depresiune sunt de circa 8 ori mai mici dect la o manta tip TEMAE, reducndu-se nsa eficienta termica a aparatului.


7/20

n cazul curgerii ncrucisate fara sicane interioare (TEMAX) se pot obtine celemai mici pierderi de presiune. Acest tip de manta se poate utiliza pentrucondensarea vaporilor. cu presiune coborta.

Diametrul mantalei poate varia n limite largi.

b) Alegerea capacului de distributiePrincipalul criteriu de alegere a capacului de distributie l constituie

usurinta accesului la placa tubulara, n vederea curatarii sale. Din acest punctde vedere solutia cu capac tubular demontabil (TEMA A) permite cel maisimplu acces, fiind recomandata n cazul fluidelor cu depuneri. Solutia cucapac elipsoidal (TEMA B) necesita o demontare ceva mai complicata, nschimb asigura pierderi de presiune locale mai mici, n special la un numarmai mare de treceri prin tevi.

Celelalte tipuri de capace de distributie au fie constructii specialedestinate presiunilor ridicate ale fluidului (TEMA D), fie realizeaza o reducerea numarului de flanse si corespunzator a greutatii si costului aparatului(TEMA C si N).

c) Alegerea capacului de capatAlegerea capacului de capat se face dupa aceleasi criterii luate in

considerarela alegerea capacului de distributie la care se adauga un element de multeori esential :preluarea dilatarilor inegale intre tevi si manta

Solutiile tip L, M, N de capac de capat sunt constructii rigide care nupermitpreluarea dilatarilor diferite ale mantalei si tevilor. Astfel de solutii pot fiutilizate doar pna la diferente de temperatura ntre tevi si manta de 55C,sau 80C daca se prevede o lira de dilatare pe manta. n celelalte cazuritrebuie fie sa se utilizeze cap mobil, n una dintre variantele P, S, T sau W, cu

o complicare a solutiei constructive nsa cu o rezolvare a problemei preluariidilatatiilor diferite ale tevilor si mantalei. Diferenta intre aceste patru varianteo constituie att forma constructiva cat si distanta intre fascicolul de tevi simanta, distanta care influenteaza coeficientul de convectie in manta prindebitul de fluid care se scurge prin acest spatiu si nu participa la transferul decaldura.

+10) Rolul si alegerea sicanelor la SCT.

Sicanele transversale au rolul de sustinere a tevilor, de a prevenivibratiile

acestora si mai ales a maririi vitezei de curgere a fluidului peste tevi, nsotitade intensificarea transferului de caldura convectiv, dar si de marireapierderilor de presiune.

Sicanele simplu segment sunt cele mai folosite ele amplasndu-se deobicei la o distanta minima de 0,1 Ds (unde Ds este diametrul mantalei) , darnu mai putin de 50 mm, iar distanta maxima dintre ele nu trebuie sadepaseasca 1 Ds. La alegerea distantei


8/20

ntre sicane trebuie sa se tina seama si ca, pentru prevenirea vibratiilortevilor, distanta ntre doua sustineri succesive ale acestora trebuie sa fie ntre50 si 80 de diametre.

Daca pierderile de presiune sunt prea mari sau sunt necesare maimulte suporturi pentru tevi se pot utiliza sicanele dublu sau triplu segmentsau sa se elimine tevile din fereastra sicanei, cu marirea corespunzatoare a

diametrului mantalei.O mare importanta o are si alegerea corecta a marimii partii decupate

a sicanei, pentru realizarea unei curgeri ct mai uniforme peste fasciculul detevi

11) Stabilirea numarului de treceri si rolul maririinumarului de treceri la SCT.

Nr. de treceri (Ntr) este impus de debitul care circula prin tevi si vitezaacestuia, astfel nct sa se obtina un raport ntre lungimea si diametrulaparatului n limite acceptabile (L/D


9/20

4) Temperatura. n mod asemanator, fluidul fierbinte este indicat sa circuleprin tevi pentru a reduce tensiunile termice din material si a micsoragrosimea izolatiei mantalei.5) Toxicitatea. Fluidele toxice, inflamabile, explozive sau scumpe se vorintroduce n partea cea mai etansa a aparatului, de obicei n interiorul tevilor,lundu-se masuri speciale de etansare.

6) Debit. Fluidul cu cel mai mic debit este indicat sa se introduca n manta,pentru a obtine un numar mai mic de treceri prin tevi si deoarece la curgereapeste tevi regimul turbulent apare la valori mai mici ale criteriului Reynolds( Re limita= 103).7) Vscozitate. Fluidul mai vscos se va introduce n manta pentru ca naceasta zona se poate obtine regimul turbulent de curgere la valori mai miciale criteriului Reynolds.8) Pierderile de presiune. Daca pentru un fluid pierderile de presiune suntstrict limitate, acesta va fi introdus n tevi, unde calculul pierderilor este maiexact si putem lua masuri pentru limitarea pierderilor de presiune, n specialprin micsorarea vitezelor.

13) Comparatie ntre SCT si SCP (schimbatoare decaldura cu placi).

Criterii de comparatie: temperatura maxima n aparat; presiunea maxima de functionare; numarul de functiuni pe care le poate ndeplini, de exemplu: vaporizator,condensator, schimbator gaz/gaz, gaz/lichid, lichid/lichid; numarul de unitati de transfer de caldura (NTC) care poate fi considerat caun indicator a performantelor de transfer termic ale schimbatorului.

Schimbatoarele cu tevi si manta pot fi utilizate pna la temperaturisi presiuni ridicate (900 C, 100 bar) si ndeplinesc toate functiunile (gaz/gaz,gaz/lichid, lichid/lichid, vaporizator, condensator). Ele prezinta nsadezavantajul unor performante scazute de transfer, numarul NTC fiind limitatde valoarea 1.Schimbatoarele cu placi si elemente de etansare nu pot fi utilizate nconditii de temperaturi si presiuni superioare valorilor: 200 - 250 C sirespectiv 20 bar, nici ca schimbator gaz/gaz. n schimb performantele detransfer de caldura (NTC) sunt ridicate (NTC 5).Schimbatoarele cu placi sudate constitue un progres remarcabil deoarecepermit atingerea unor temperaturi de pna la 450 C si presiuni de 40-50 bar,pastrnd n acelasi timp un NTC ridicat.


10/20

14) Calculul termic al SCP.


11/20

15) Schimbatoare de caldura cu tuburi termice.

Tubul termic este o incinta etansa (cel mai des sub forma de teavanchisa la cele doua capete) care contine un lichid n echilibru cu vaporii sai,n absenta totala a aerului sau a altui gaz.

n zona ncalzita a tubului (vaporizator) se afla lichidul vaporizator,vaporii formati aici deplasndu-se spre zona rece (condensator)unde condenseaza. Dupa modul de rentoarcere a condensatuluispre vaporizator tuburile termice pot fi cuumplutura capilarasau gravitationale (fara umplutura)

Cele mai multe tuburitermice utilizate nschimbatoarele de caldura utilizeaza termosifonul si au doar nervuritriunghiulare joase la interior, n scopul intensificarii transferului de caldura la

fierbere si condensare si mai putin pentru favorizarea circulatieicondensatului.

Pentru calculul schimbatoarelor de caldura cu tuburi termice se poateutiliza metoda prezentata de Chaudourne , care se bazeaza pedescompunerea aparatului n schimbatoare elementare. Metoda prevedeurmatoarele etape succesive de calcul:- determinarea coeficientilor globali de schimb de caldura pentruvaporizatorul si condensatorul fiecarei celule;- determinarea prin metoda -NTC a temperaturilor celor doi agenti termicila iesirea din fiecare celula;

- determinarea temperaturilor agentilor termici la iesirea din ansamblulschimbatorului de caldura (calcul prin metoda matriciala);- verificarea cmpului de temperaturi n fiecare tub termic si stabilireafluxurilor termice transmise de fiecare celula si de ansamblulschimbatorului.

Dintre principalele lor avantaje se pot mentiona: Etanseitate foarte buna ntre cele doua fluide, existnd un singur pereterecuperator ntre ele care se poate etansa foarte bine prin sudura.


12/20

Fiabilitate ridicata a aparatului care contine un numar mare de tuburi, iarnefunctionarea unuia influenteaza n foarte mica masura performanteleaparatului si n orice caz nu pericliteaza functionarea lui. Comportare foarte buna la dilatare, tuburile termice fiind libere la celedoua capete. Suplete n conceptie datorata faptului ca tuburile sunt independente(neracordate ntre ele, putndu-se alege orice geometrie de asezare a lor. Eficienta ridicata datorita coeficientilor mari de transfer de caldurainteriori (fierbere si condensare) si a posibilitatii de extindere a suprafeteiexterioare de transfer de caldura prin nervurare. Pierderi de presiune reduse, agentii termici circulnd peste un fasciculde tevi, care creeaza pierderi de presiune mai mici dect n cazul curgerii lorprin interiorul tevilor.

16) Recuperatoare convective.

Recuperatoarele sunt schimbatoare de caldura care prezintaurmatoarele trei caracteristici principale:- recupereaza o parte a caldurii gazelor rezultate din arderea unuicombustibil, care se evacueaza dintr-o instalatie pirotehnologica;- caldura recuperata foloseste la prencalzirea aerului de ardere sau/si acombustibilului gazos;- gazele de ardere care cedeaza caldura sunt separate de fluidul gazos ceprimeste caldura printr-un perete metalic sau ceramic.

17) Recuperatoare de radiatie.

Recuperatoarele prin radiatie suntalcatuite, n principiu, din doua tuburi de tabla(exterior si interior), de diametre relativ mari,dispuse concentric, care sunt legate elastic ntreele printr-un compensator de dilatatie. Gazele deardere circula prin tubul interior, rezistentagazodinamica suplimentara introdusa fiindneglijabila.


13/20

La recuperatoarele prin radiatie densitatea fluxului termic maxim q max= ( 58....93)*103 W / m2 este sensibil mai mare ca la recuperatoareleconvective, la careq max = ( 14....19)*103 W / m2 . Evolutia formelor constructive alerecuperatoarelor prin radiatie a suferit n ultimul timp o dezvoltare rapida,

datorita posibilitatilor de a se obtine oteluri refractare, rezistnd latemperaturi de 1100C, fara oxidare sau fluaj. Cu ajutorul acestor aparate,aerul se poate ncalzi pna la temperatura de 950-1100C, pentrutemperatura gazelor de ardere care intra n recuperatoar de pna la 1650C.

Principalul dezavantaj al recuperatooarelor cu radiatie unilaterala lconstituie suprafata de schimb de caldura limitata. Pentru marirea acesteia s-au dezvoltat fie recuperatoarele cu radiatie bilaterala fie recuperatoare cudoua drumuri pe partea aerului (recuperatorul clepsidra) fie cele cu douadrumuri pe partea gazelor de ardere .

18) Calculul regeneratoarelor ceramice cu functionareintermitenta.

Regeneratoarele ndeplinesc primele doua conditii alerecuperatoarelor nsa, n cazul lor, cei doi agenti termici vin n contactalternativ cu suprafata de schimb de caldura, fluxul termic ntre fluide siperete schimbndu-si periodic directia.


14/20

n cazul unui regenerator ceramic care lucreaza intermitent,diagramele

T= f( ) si T= f(S) se traseaza att pentru perioada de ncalzire 1amediului de acumulare (umpluturii), ct si pentru perioada de racire a

acestuia 2.

Pentru calculul termic al regeneratoarelor ceramice folosite la cuptoaresunt cunoscute, de obicei urmatoarele marimi:- debitul Da , compozitia, temperaturile initialaTasi finalaTaale aerului saucombustibilului gazos prencalzit n regenerator;- viteza aerului, respectiv a combustibilului gazos wa si viteza gazelor deardere wg care circula n regenerator;- grosimea caramizii, sistemul de nzidire al grilajului, precum si proprietatilefizice ale materialului caramizii;- durata perioadelor de ncalzire, respectiv racirea regeneratorului.

Din figura se poate ntocmi bilantul termic pentru perioadele

elementare d de ncalzire si de racire ale mediului de acumulare(gratarului). n cazul perioadei de ncalzire, bilantul termic are forma:

(1)

Tinnd seama de variatiile temperaturii n lungul suprafetei si n timp,prezentate n figura se poate scrie pentru

perioada de ncalzire:si prin urmare: (3)

(2)


15/20

Din egalitatea termenilor doi si trei ai relatiei (1), ncare se nlocuieste valoarea lui tmed ,1 cu cea dinexpresia (3) se obtine:

si prin urmare:

n cazul perioadei de racire, bilantul elementar de caldura va avea forma:

+19) Boiler acumulator ncalzit cu apa fierbinte.

m2

1m

t1

t1i t

2i

=0

m2

1m

t1

t1f

t2f

=

f

f

t2f

10

1

S0

t t

t2i

t1i

t1f

t1

t1

( ) dtSkdtcmdt"t'cmQ med0S2p2211p11r ===

tt"

tt'ln

t"t't;

K

JcmC;

K

Wcm

21

21

11

medp22

*

2p11

=

=

=


16/20

( ) d

tt"

tt'

ln

t"t'SkdtCdt"t'CdQ

21

21

110S2

*

2111r

===

( ) d

tt"

tt'ln

t"t'Skdt"t'CdQ

21

21

110S111r

==

( ) 10

2121

1

0

21

21'"

"

'ln

C

Sk

r

S r

S

ettttC

Sk

tt

tt

+=

=

( ) 2*2211

1

0

1' dtCdettC CSk

rr

S

=

=

2f1

2i1

f

1r

0S tt'

tt' 21

2

0

C

Sk

*

2

1r

tt'

dtde1

C

C

2f1

2i1f

C

Sk

*

2

1r

tt'

tt'lne1

C

C 1r

0S

=

[ ]s

e

tt

tt

C

C

C

Sk

f

i

rf

r

S

1

0

1

'

'ln

21

21

1

*2

=

f

i

fr

C

Sk

tt

tt

C

Ce r

S

21

21

1

*

2

'

'ln1 1

0

=

=

f

i

frr

S

tt

tt

C

C

C

Sk

21

21

1

*

2

1

0

'

'ln1ln

[ ]221

21

1

*21

0 1'

'lnln m

tt

tt

C

C

k

CS

f

i

frS

r

=


17/20

+20) Boiler acumulator ncalzit cu abur.

Ecuaiile bilanului termic i transferului de cldur:

f

t2f

10

1

SS00

t t

t2i

tc

tc

t2

( ) dtSkdtcmdiimQ medSpr === 0222111 "'[ ]Kttt

K

JcmC cmedp 222

*2 ; =

=


18/20

21) Influenta depunerilor asupra transferului de

caldura; evolutia depunerilor n timp; tipuri dedepuneri.

Depunerile, n forma cea mai generala, reprezinta acumularea unormateriale solide pe o suprafata.Depunerile de particule sunt datorate particulelor n suspensietransportate de agentii termici care, la trecerea prin aparat se depun pesuprafata de schimb de caldura a acestuia. Aceste particule pot fi, deexemplu produse de coroziune generate nainte de schimbatorul de caldura,cenusa sau alte particule solide din gazele de ardere.Depunerile ncrustate sunt formate n general din depozite de materialecristaline provenind din solutii lichide. Un exemplu tipic de depunere

ncrustata l constituie carbonatul de calciu din apa industriala. n apropiereasuprafetei de transfer de caldura cu temperatura ridicata, lichidul devinesuprasaturat n saruri si acestea se depun pe suprafata sub forma uneidepuneri dure si aderente.Depunerile prin coroziune sunt rezultate ale unor reactii chimice sauelectrochimice ntre suprafata de transfer de caldura si agentii termici carecircula prin aparat.

( ) [ ]JdttSkdtCdQ cS == 202*2

fS

fc

ic

tt

tt

S

c C

Sk

tt

ttd

C

Sk

tt

dtfc

ic

f

==

*

2

0

2

2

0

*

2

0

2

2

ln

2

2

[ ]22

2

*

2

0ln m

tt

tt

k

CS

fc

ic

fS

=

[ ]stt

tt

Sk

C

fc

ic

Sf

2

2

0

*

2ln

=

( ) ( ) dttSkdi"i'm 2c0S111r = ( )

( )( )

= = skg

rttSk

iittSkm

r

cS

r

cS

1

20

11

201

"'


19/20

Depunerile biologice sunt datorate dezvoltarii microorganismelor (bacterii,alge sau ciuperci) care formeaza un film la contactul cu suprafata de schimbde caldura.Depunerile prin reactii chimice sunt obtinute n urma unor reactii chimicecare au loc n apropierea suprafetei de transfer de caldura, produsele solideobtinute n urma reactiilor depunndu-se pe aceasta. Domeniile caracteristicepentru acest tip de depuneri l reprezinta industria petro-chimica (cracareatermica a hidrocarburilor grele) sau industria alimentara (pasteurizarealaptelui).Depunerile prin solidificare apar n cazul formarii unui strat de gheata pesuprafata de schimb de caldura racita sau a unui depozit a unui componentcu temperatura nalta de topire dintr-un lichid n contact cu o suprafata rece(depuneri de hidrocarburi parafinice).

Evolutia n timp a depunerilor se poate desfasura dupa una dintre curbeledin:

Evolutia A este o dreaptacaracterizata de ecuatia:

k - este rata de crestere arezistentei depunerilorEvolutia B este de tipexponential

R este valoarea asimptotica a

rezistentei depunerilor, n m2

K/W; - constanta ce depinde deproprietatile sistemului.Evolutia C, n dinti de

fierastrau, este cea mai apropiata de realitate, forma sa fiind datoratadesprinderii bruste, n pachete, a unei parti din depuneri.

Prezenta depunerilor, prin rezistenta lor termica suplimentara, are ca efectreducerea coeficientului global de schimb de caldura. Raportul ntrecoeficientii globali de transfer de caldura pentru aparatul cu depuneri kglsicel curatkogleste:

n cazul proiectarii unui schimbator de caldura se pune problema dacael trebuie considerat curat sau nu. Este evident ca aparatul va ramne n


20/20

stare curata doar o scurta perioada de timp dupa punerea n functiune saudupa curatire, n restul vietii sale existnd depuneri. Din aceste motive seimpune de obicei ca la dimensionarea unui schimbator de caldura sa se tinaseama si de rezistenta depunerilor. n acest caz va rezulta o marime asuprafetei necesare de schimb de caldura:

Excesul de suprafata datorat depunerilor va fi:

partial eit

Documents